CC BY
194
Наука л
J г!
В. И. ВИССАРИОНОВ
Доктор технических наук, профессор кафедры нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Института эл ектроэнергетики Национального исследовательского университета «МЭИ»
Е-тай: [email protected]
втономныи энергетическим комплекс должен обеспечить надежное электро-н теплоснабжение потребителя. В работе исследуется эффективность энергетического комплекса, состоящего из ветровых, теплонасосных, дизельных энергетических установок с применением системы аккумуляции водорода. Рассматривается совместное использование ветровой энергетики, источников низкопотенциального тепла с применением теплонасосной установки и системы аккумуляции энергии на основе водородной энергетики в России.
возобновляемый источник энергии, методика, потребитель, расчет, тепло- и электроснабжение, энергетический комплекс.
Методика расчета
энергетического
комплекса
для тепло- и электроснабжения автономного потребителя на базе возобновляемых источников энергии'
А. В. КАЦАИ
Генеральный директор ООО «Корпорация «Русский сверхпроводник»».
E-mail: [email protected]
А.Н. ДОРОШИН
Ассистент кафедры нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Института электроэнергетики Национального исследовател ь ского университета «МЭИ»
E-mail: [email protected]
A.B. ДОРОШИНА
Аспирантка кафедры гидромеханики и гидравлических машин Института электроэнергетики Национального исследовател ь ского университета «МЭИ»
E-mail: [email protected]
1 Статья подготовлена с использованием материалов работы, выполняемой в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы» по направлению «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области малой распределенной энергетики» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Введение
Территорию России условно можно разделить на зоны централизованного и децентрализованного энергоснабжения. Зона децентрализованного энергоснабжения - Север и Дальний Восток, или примерно две трети всей территории России, где, по разным оценкам, проживает от 20 до 25 млн человек. Жители этих регионов используют дизельные либо бензиновые энергетические установки, применение которых связано с использованием дорогостоящего органического топлива и проблемами его доставки потребителю [5].
Мировой опыт освоения ресурсов возобнов-
ляемых источников энергии (ВИЭ) показывает, что использование только одного вида ВИЭ в системах энергоснабжения автономных потребителей не всегда позволяет обеспечить надежное и бесперебойное энергоснабжение из-за физических особенностей самих ВИЭ. Как правило, энергоснабжение автономных потребителей за счет ВИЭ стараются обеспечить путем комбинации разных видов ВИЭ в так называемые энергетические комплексы (ЭК). В их состав обычно входят энергоустановки на базе ВИЭ, дизельные (бензиновые) энергоустановки (ДЭУ, БЭУ), а также разного вида системы аккумуляции энергии [4].
20121№ 2 (71)
На сегодняшний день наиболее изученными и надежными являются ветродизельные энергетические комплексы (ВДЭК). Они являются надежным источником электрической энергии для тысяч автономных потребителей и эксплуатируются во многих странах мира [1]. Приведем пример эффективного использования ВДЭК: на острове Фэр (Шотландия) для поселка с населением 70 человек была построена электростанция с двумя ДЭС, первой (мощность - 20 кВт) было достаточно для электроснабжения летом, а другой (50 кВт) - для электроснабжения зимой [7]. Ветровые условия на острове весьма благоприятны. Средняя скорость ветра -9,6 м/с. В июне 1982 года там была установлена ВЭС мощностью 50 кВт. С тех пор производство энергии возросло в 3,7 раза. Эксплуатация ВДУ на острове Фэр показала, что себестоимость электрической энергии, получаемой от ДЭС, составляла 8 центов/кВт-ч, а от ВЭС - 3,5 цента/кВт-ч. Для этой станции было разработано специальное устройство, которое показывало, когда счетчик энергии переключается на более высокий тариф. Показатели производства энергии приводятся в таблице.
При необходимости для повышения надежности энергообеспечения ВДЭК дополнительно можно оснастить маховиковым (кинетическим) накопителем энергии. В короткий промежуток времени (за секунды, минуты) маховик позволяет перераспределить энергию, получаемую от ветровой установки, обеспечить работу дизеля в номинальном режиме, что положительно влияет на итоговый расход топлива. Кроме того, кинетический накопитель энергии может служить в качестве источника бесперебойного питания в энергосистеме [2], поддерживая энергоснабжение потребителя в период запуска и выхода резервного дизель-генератора на устойчивый режим работы.
ВДУ позволяет существенно экономить дизельное топливо, однако его вклад в энергообеспечение потребителя остается существенным. Система аккумуляции для перераспределения энергии в долгосрочном периоде может свести к минимуму использование органического топлива. Одним из альтернативных решений является использование водородных технологий. Когда выработка энергии на ВЭС превышает объемы потребления, можно получать водород, который, в свою очередь, может быть эффективно использован для выработки энергии во время штиля или слабого ветра [4]. Обычно при использовании ВИЭ водород получают путем электролиза воды. Выработка электрической энергии из водорода может осуществляться разными путями. На се-
годняшнии день основными считаются следующие:
• использование топливного элемента (ТЭ);
• сжигание водорода в специально переделанных дизельных генераторах либо в парогенераторах.
На сегодняшний день использование ТЭ считается более перспективным, чем сжигание водорода в модернизированных дизельных генераторах, за счет сравнительно высокого КПД (50-80% против 20-35%). Однако стоимость самих ТЭ остается достаточно высокой [3].
Производство энергии на острове Фэр за год работы
ффективное
нтикризисное
правление
Энергоустановка Выработка энергии
абс. кол-во, кВт-ч отн. кол-во, %
ВДУ, суммарная 185 024 100.00
ВЭС 168 895 91.2
ДЭС 16 147 88.72
При эксплуатации ЭК на основе ВИЭ с применением технологий водородного аккумулирования возникает необходимость хранить достаточно большие объемы газа. Существует целый ряд методов, надежность некоторых из них подтверждена на практике, другая часть проходит лабораторные и производственные испытания. Подобные энергетические комплексы уже созданы и успешно эксплуатируются в Канаде и Австралии.
В Канаде для обеспечения энергией отдаленных поселков применяются гибридные схемы -ветро-дизельные и ветро-водородные. Водород используется для производства электроэнергии в двигателях внутреннего сгорания. Ветро-во-дородная схема применяется в проекте Prince Edward Island Wind-Hydrogen Village и в городе Рамеа. Мощность генератора водорода составляет 250 кВт. Ежегодно он позволяет экономить 120тыс. л топлива, тем самым предотвращает выбросы в атмосферу: С02 - 320т, NOx - 6,8т, S02 - 0,6 т. В работе, посвященной исследованию данного комплекса (по материалам сайта http://www.ieawind.org), не приведены конкретные показатели, однако указывается, что сооружение комплекса экономически оправдано. В институте TAFE Tasmania (Австралия) действует комплекс, состоящий из двух ветроустановок, электролизера и дизельной установки, которая приспособлена для работы с водородом.
ЭК должен обеспечить надежную и бесперебойную работу системы энергоснабжения в целом. В зависимости от категории потребителей в системе энергоснабжения необходимо предусмотреть соответствующие источники энергии,
которые должны сглаживать колебания мощности ВЭУ на выходе во времени, в том числе и источники бесперебойного питания.
Постановка задачи
Рассматривается автономный потребитель в расчетной точке А с координатами по широте (р и долготе ц/, град. Для него задаются графики почасового потребления тепловой и электрической энергии во времени (<9, и соответственно, 7 = 1,2,... ,и) за расчетный период Т.
г=гк-г0 = £аг1. , (1)
г=1
где /к - конечный период времени; /0 - начальный период времени; Д/,=1 ч. Нагрузка должна быть обеспечена за счет использования ВЭУ, системы получения Н2 и 02, которые аккумулируются и далее используются в ТЭ для получения электроэнергии, а также сопутствующих им устройств -теплонасосной установки (ТНУ) и дизельной энергетической установки (ДЭУ), для которых задаются необходимые технико-экономические параметры и характеристики, соответствующее специальное информационное обеспечение.
Для ВЭУ определяют тип, установленную мощность кВт, высоту башни Н6, м, мощ-
ностную характеристику ВЭУ МВЭу{у), стоимость ВЭУ с учетом ее доставки, монтажа и эксплуатации в течение срока службы, среднечасовые скорости ветра, V,,У = 1,2...п в географической точке А{(р,ц/), рассчитанные с учетом шероховатости местности, розы ветров с заданной шероховатостью по румбам для высоты башни ВЭУ Нб, м.
С учетом ТЭ и системы аккумуляции Н2 и 02 необходимо определить производительность электролизера, установ-п Уст о
ленную мощность гЭц , кВт, давление компрессора, необходимый объем хранящегося водорода Vн (при необходимости - кислорода V0 ), установленную мощность ТЭ , стои-
мостные характеристики оборудования, его доставку и монтаж, климатические условия эксплуатации.
Для ТНУ с вертикальной системой отбора низко потенциально го тепла необходимо знать:
• тип ТНУ с заданным типом вертикальных теплообменников;
• тип грунта (источника низкопотенциального тепла);
• установленную мощность ТНУ;
• коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую;
• стоимость ТНУ;
• стоимость доставки;
• стоимость монтажа;
• стоимость бурения;
• глубину бурения скважины;
• среднесуточные температуры грунта и воздуха в расчетной точке.
Для ДЭУ (БЭУ) нужно знать его тип, удельный расход топлива 6уд, стоимость топлива, срок службы и стоимость установки. Также необходимо учитывать эксплуатационные и энергетические характеристики вспомогательного оборудования, к которому отнесены инверторы, трансформаторы, измеряющее оборудование, управляющая система и т. д.
Требуется найти оптимальные типы и число основных элементов рассматриваемого ЭК с целью обеспечить минимум приведенных затрат за расчетный период времени Г=/к-/0:
Т-ПР/ТЛ - ГПР |ТПР|ТПР|ТПР , ,пр .
Iу \Т) /вэУ +/ТЭ+4кк+-'тНУ ДЭУ(БЭУ) тт (¿)
где /пр2; - приведенные затраты на создание и эксплуатацию ЭК; /^вэу - приведенные затраты на создание и эксплуатацию ВЭУ в составе ЭК; /пртэ - приведенные затраты на создание и эксплуатацию ТЭ в составе ЭК; ^¡¡кк - приведенные затраты на создание и эксплуатацию системы аккумулирования энергии в составе ЭК; /^тну - приведенные затраты на создание и эксплуатацию ТНУ в составе ЭК; /^дэусбэу) - приведенные затраты на создание и эксплуатацию ДЭУ в составе ЭК при учете следующих условий и ограничений:
р < дг>™ +дгК"|дгК“ Гтах - -/*ВЭУ ТЭ ДЭУ(БЭУ) (3)
Л=^ВЗУі(^і)+^ТЭ(+^ДЭУ(БЭУ )і (4)
^ВЭУ(=^ВЭУ 0) (5)
0<ч<утах (6)
0<л^<лС (7)
0<ЛГта<Л£Г (8)
д ЛПІП ¡Г^ лтУст ^ ДЭУ (БЭУ) - ^ДЭУ(БЭУ) - ^ДЭУ(БЭУ) (9)
^ТЭі = ^ТЭі (Ун) (10)
0<ГнХНТЭ(Х))<УГ (П)
Ун,(Т) = (^вэуО)) & (12)
где Ртах - максимальная нагрузка потребителя; А^™вэу, №СШТЭ, Лг>'™дЭу(Бэу) - установленная мощность ВЭУ, ТЭ, ДЭУ (БЭУ); і3, - нагрузка потребителя в 7-й момент времени; А'вэу, - вырабатываемая электрическая мощность ВЭУ в 7-й момент времени; V, - скорость ветра в 7-й момент времени; Л^хэ, - вырабатываемая тепловая
МОЩНОСТЬ ТЭ В 7-Й МОМеНТ Времени; Л^дЭу(БЭу),- -
вырабатываемая электрическая мощность ДЭУ(БЭУ); утах - максимальная скорость ве-
2012 И№ 2 (71)
тра при которой работает ВЭУ; Л^дэу (бэу) _ минимальная мощность, с которой может работать ДЭУ (БЭУ); Л^дэу (БЭУ) - средняя годовая мощность ДЭУ (БЭУ); АР™дЭУ (бэу) _ установленная мощность ДЭУ (БЭУ); - объем запасенного водорода.
При этом в формуле (3) следует учесть принятое число основных расчетных элементов ЭК, капитальные вложения и издержки в них, цикличность ремонтов и сроки их жизни.
Анализ рассмотренной задачи позволяет классифицировать ее как многофакторную, целочисленную с учетом уравнений связи типа (3), ограничений типа неравенства (6) - (8), (11), интегрального ограничения типа (12) и нелинейных связей типа (5). Подобные задачи могут быть как одно-, так и многоэкстремальными, что требует использование для их решения глобальных методов поиска в математическом программировании.
Исходные данные: у(?) - скорость ветра (почасовые данные); Рш{1) - электрическая нагрузка потребителя (почасовые данные); Ртеп(/) - тепловая нагрузка потребителя (почасовые либо среднесуточные данные).
Методика
расчета
Для обеспечения надежности соответствующих расчетов по ВЭУ нужно иметь результаты наблюдений за ветром в рассматриваемой точке Земли, где планируется сооружение ВЭУ (желательно не менее 10 лет), в течение длительного периода. При этом величина расчетного интервала для скоростей ветра должна быть не более 1 ч, что весьма затрудняет обеспечение надежности всех расчетов из-за ограниченности рядов наблюдения за ветром. В связи с этим для подобных расчетов можно использовать существующие сегодня базы данных по характеристикам ветра.
Как правило, данные по характеристикам ветра представлены для определенной высоты: 10 м (Россия, другие страны Европы), 50м (США). Для пересчета скорости ветра на высоту башни используют формулу
(Нб хУ У1=Ушм — , (13)
^ВЭУ (0 - ^ВЭУ (у (0)
(14)
При использовании теплового насоса или электрического обогревателя затрачивается дополнительная электрическая энергия, которая не учтена в графике нагрузки потребителя. Электрическая нагрузка при использовании ТНУ либо электрического обогревателя в любой момент времени рассчитывается с помощью выражения
_ ффективное Антикризисное правление
Р'эАг)=<
Рэя (0 +
Рэи (0 +
-^ГЕП (0 ^ТНУ
Р-ТЕИ (0
^ТНУ
I
ЄСЛИ Ртел (?) — Л^хну — 0
(15)
(теп ( ) ^шу) Л эн? если
-^ТЕП
(?) Nгну > 0
где Рэл(?) - электрическая нагрузка без учета использования ТНУ или другого работающего обогревателя; -Ртеп(?) - тепловая нагрузка потребителя; ктну - коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую; г|эн - коэффициент полезного действия электрического нагревателя.
В период времени, когда вырабатываемая мощность на ВЭУ (ВЭС) Авэу(0 превышает нагрузку потребителя с учетом использования ТНУ либо электрического обогревателя Р'эл(/), избыточную мощность целесообразно аккумулировать. Мощность, передаваемую на электролизер для получения водорода, рассчитываем как
ГЛ/вэу(0 - Р'эл (4 если ЛГвэу(0 - Р'эл (?) >0 Р' (?) = Ч ^
Э~ра( ) |^0, если Л^вэу(0 - Р'эл (0 < 0
Производимый объем водорода I можно I определить по (17).
У'нМУ
э-ра
(?) • Пэ_ра, если Рэ_ра(?) < Р-™
\Pipa- Пэ_ра , еСЛИ Рэ_ра (?) > Р-™, где Пэ.ра - производительность электролизера, нм3/кВт»ч; Рус7Пэ_ра- мощность электролизера, кВт. Мощность, вырабатываемую ТЭ, определяем
(17)
I
Л^'тэ (ОН
0, если Р'эл (?) - Жвэу(0 < 0 или (?) —> 0
Жтэ, если Р'эл (?) - А/вэу(?) > Жтэ, УНі » 0
Р'эл (0 - Л/вэу(0, если Жтэ> Р'а (?) - Жвэу(?) > 0, Ун » 0
(18)
Определим используемый объем водорода при Лгвэу(?) - Р'Эл (?) < 0 :
= 3 600 00(Ж'ТЭ(?)
н- С1Н, • Рн,ТЭ
(19)
где ушм - измеренная скорость ветра на высоте Ншм, где проводились измерения; у - коэффициент, зависящий от местоположения исследуемого объекта, у ~0,2 [5].
Мощность, вырабатываемая ВЭУ, определяется по формуле
где -удельная теплота сгорания водорода, =
120 • 106 Дж/кг; - плотность водорода, /зНо = 0,09 кг/нм3; 3 600 000 - коэффициент пересчета Дж в кВт»ч.
Располагаемый объем водорода в момент времени Т определяем:
Т
+1(^(0-^(?М (20)
Ун, -Ун^нач
і=1
Наука
ЛГ'дэу№ =
При этом необходимо учесть ограничение по запасу водорода I гНо шах = I где У6 - объем баллонов (водородохранилища) для хранения водорода.
Мощность, вырабатываемую ДЭУ, определяем:
Р Эл (0 — -^Увэу (0 ~ Л^тэ(0, 6СЛИ Ждэу> Р ЭЛ (0 — Л^ВЭУ (0 — Nтэ (О ^ О
-^дэу> если ЖдЭУ< Р эл (О Nту{1) Nтэ(7)
О, если Р'ш (0 < Ж'вэу(0 - Ж'тэ (О-
Расход топлива
8760Г
£?топ — X Ьтоп1 ¡=1
Расход масла:
ЛГдэуСОД*.
(21)
(22)
(23)
8760Т
QшAC ~ X ЬмАС^ дЭу(?)А?.
1=1
Для определения экономической эффективности исследуемого энергетического комплекса необходимо произвести расчет затрат за долгосрочный период и сравнить его с соответствующим базовым вариантом энергообеспечения за счет ДЭС. Как правило, расчетный период выбирается с учетом оборудования, имеющего наибольший срок службы.
Решение поставленной задачи представляется неоднозначным и трудоемким, основанным на нескольких сценариях развития мировой экономики. Это связано со следующими тенденциями:
• Определение инфляции в долгосрочный период на сегодняшний день в период кризиса представляется достаточно неопределенной задачей.
• Запасы доступного органического топлива постепенно истощаются. На рынке постепенно появляются альтернативные виды топлива: водород, синтезгаз, биотопливо. Поэтому в долгосрочном периоде изменение цен на топливо (дизель и бензин) не будет коррелировать с инфляцией, как это было раньше, когда повышение цен на топливо практически всегда вело к пропорциональному росту цен на основную продукцию. Скорее всего, увеличение цен на топливо будет опережать инфляцию, однако трудно дать достаточно надежный прогноз.
• На сегодняшний день оборудование, работающее на ВИЭ, стоит достаточно дорого, тем не менее существует устойчивая тенденция к снижению его стоимости за счет запуска его массового производства, а также внедрения новых технологий, позволяющих использовать более дешевые материалы и снижать материалоемкость изделий.
Очевидно, что наибольшие затраты приходятся на первый год. Капитальные вложения в энер-
гетический комплекс будут определяться по формуле
^эк=^ВЭС+^'тНУ полн+^'сист. ак Н2+^'ДЭС+^ всп. об, (24)
где И-'вэс - полная стоимость ВЭС, включая доставку оборудования и монтаж; Итнуполн - сто_ имость теплового насоса, включая доставку, бурение скважин, монтаж; И'ШСТ11К - полная стоимость системы аккумуляции водорода, включая стоимость доставки и монтажа электролизера, топливных элементов, компрессора, баллонов для хранения водорода; 1¥дЭС - стоимость всех установок ДЭУ, включая монтаж и доставку; И'всп. об - стоимость доставки и монтажа остального оборудования, необходимого для работы ЭК (трансформаторов, инверторов, источников бесперебойного питания, кабелей и пр.). И-'вэс, И'тну полн> ^ сист. акН2, И ДЭС, И'всп. о6 Определяются по формулам:
^ вэс=ивэу(^ ВЭУ+^ монг. ВЭУ+И'дост. вэуХ (25)
^ ТНУ полн-И'ТНУ+И7,
+№монт.ТНУ);
дост. ТНУ+И' бур. скв~*~
(26)
и тт и -П +И/Я • и т^ + И7
уу сист. акН2 уу ТЭ уу э-ра уу бал уу дост. ТЭ уу д ^^дост. бал ^монт. раб?
^'дэс_идэу(^'дэу (БЭУ)+^'дост. ДЭУ (БЭУ)Х
. об./)
“Р
дост. э-ра
(27)
(28) (29)
явсп. об. у
^ВСП. об.У — X (^всп. об.+ ^дос
1-1
где /?вэу—количество ВЭУ; И'вэу - стоимость В ЭУ; ^ жшт. вэу - стоимость монтажа ВЭУ; Игдост Вэу _ стоимость доставки ВЭУ; И'тну- стоимость ТНУ; И дост. тну - стоимость доставки ТНУ; Иг6ур Скв _ стоимость бурения скважины для ТНУ; 1¥мош тну -стоимость монтажа для ТНУ; Игтэ - стоимость ТЭ; И-'э.ра - стоимость электролизера; Иг6ад - стоимость баллонов (водородохранилища) для хранения водорода; Игдоот тэ - стоимость доставки ТЭ; И-дост. э-ра - стоимость доставки электролизера; Я дост. бал - стоимость доставки баллонов для хранения водорода; Игшош ра6 - стоимость монтажных работ; Идэу - количество ДЭУ; И-дэу - стоимость ДЭУ(БЭУ); »дост дэу (бэу) “ стоимость доставка ДЭУ; И-'всп. об - стоимость вспомогательного оборудования; И'всп 0б.у _ стоимость у-й единицы вспомогательного оборудования; Игдоот всп. 0б. ] _ стоимость доставки_/-й единицы вспомогательного оборудования.
В течение всего срока эксплуатации комплекса необходимо обеспечить диагностику, плановый ремонт и замену оборудования, вовремя заменять смазочные материалы, закупать дизельное топливо. Все это требует ежегодного вливания де-
20121№ 2 (71)
нежных средств, необходимых для поддержания ЭК в рабочем состоянии. Ежегодные издержки можно определить:
^ 11 ~ ^ВИЭ. I ^топ. I ^ 'мае I ^ 11:с[[ об. / > (30)
где Cj - суммарные издержки в У-м году; Свиэ , -суммарные издержки на оборудование, работающее на основе ВИЭ в У-м году; Сию„ , - издержки на топливо в У-м году; Смаа , - издержки на масло в У-м году; Сваг 00- , - издержки на вспомогательное оборудование в У-м году.
Причем издержки последнего года расчетного периода определяются с учетом ликвидной стоимости оборудования (31):
Г =С +С +С +С —
п. г ^ВИЭ. п. г ^топ. п. г ^мас. п. г ^всп. об. г
¿ВИЭ - ¿ост. об= (31)
где
Сп. г - ^-ВИЭ. п. г - ^-топ. п. г - ^ 'мае п. г - ^ '|.с [ [ об. / издержки на оборудование, работающее на основе ВИЭ, топливо, масло и вспомогательное оборудование в последнем году эксплуатации ЭК; ¿виз -ликвидная стоимость оборудования, работающего на основе ВИЭ; Ьост об - ликвидная стоимость остального оборудования. Издержки на оборудование ВИЭ определяем по формуле:
^ВИЭ. I ~ ^ 'рсч ВИЭ. I ^ 'еам ВИЭ. / ^экспл. ВИЭ. / (32)
Издержки на ремонт Срем виэ „ замену Сзам виэ , и эксплуатацию Сэкспл виэ , как для оборудования ВИЭ, так и для остального оборудования определяются с учетом следующих соображений. При заказе оборудования завод-изштовитель указывает срок службы оборудования, время работы до капитального ремонта, а также необходимость проведения диагностических работ, которые, как правило, входят в начальную стоимость оборудования. Срок службы и время до капитального ремонта в первом случае указываются в годах (ВЭУ), во втором - в часах (ДЭУ). Если ресурс оборудования и время капитального ремонта указаны в годах, моменты планового ремонта и замены оборудования очевидны. В противном случае необходимо определить среднее число часов работы соответствующего оборудования в году Гра6 об. Затем на полученное значение необходимо разделить срок службы оборудования /сл об. или время до капитального ремонта /К£Ш.Рем.об. > данные заводом изготовителем (33, 34).
(33)
(34)
Ежегодные издержки на топливо и масло определяются:
^ТОП. І _ 0ГОП. І ^ТОП. Ь (35)
^мас. г — £?мас. г ^мас. г,
где Стоп I - издержки на топливо в /-м году; <2Х0П. г -расход топлива в /-м году; Стоп 2 - цена на топливо в /-м году; СШСш I - издержки на масло в 1-м году; <2мас. г- расход масла в /-м году; Сж- 2 - стоимость масла в /-м году.
Т = t 1Т
1 сл.об. 1ся.о6/1 раб.об 5 __________
Т = f !Т
1 кап. рем. об. 1 кап. рем. об. ■'1 раб. об ;
Основным критерием экономической эффективности являются затраты за весь рассматриваемый период эксплуатации, приведенные к базисному году, определяемые по формуле:
/■,, дисконт — -¿ЭК ' I 1 ((^ВИЭ. I ^ '■[м:[[ I ^ 'мае /
+Свсп. об.<Уе'), (37)
где А'эк - капитальные вложения в энершком-плекс; е - коэффициент дисконтирования.
Поскольку энергетический комплекс состоит из некоторого множества взаимозависимых генерирующих и энергопотребляющих элементов, очень важно, чтобы в любой момент времени соблюдался баланс выработки и потребления электроэнергии. Следовательно, необходимо иметь достаточно точные данные по электрической и тепловой нагрузкам и скоростям ветра, которые должны быть зафиксированы или рассчитаны для каждого часа в течение года. Иными словами, для корректного расчета необходимо иметь 8760 приведенных к расчетному году значений скорости ветра для высоты флюгера (желательно иметь данные по ветру для высоты башни, используемой в расчете, ВЭУ) и 8760 значений для электрической нагрузки. С учетом использования теплового аккумулятора для тепловой нагрузки достаточно иметь среднесуточные данные. Расчет делается для каждого часа отдельно.
При решении поставленной задачи необходимо определить оптимальные параметры исследуемого ЭК, при которых затраты за рассматриваемый период времени Т будут минимальными. Мы должны определить состав и параметры следующего оборудования: ВЭУ, ДЭУ, ТНУ, системы аккумуляции водорода (в которую входят электролизер, топливный элемент, баллоны для хранения водорода, компрессор), ИБП, трансформаторы, инверторы. Очевидно, что, решая данную задачу методом простого перебора, даже при наличии достаточно мощной современной вычислительной машины придется потратить довольно много времени, а значит, необходимо использовать методы математического программирования.
Результаты проводимых исследований
На рис. 1 продемонстрирован пример работы исследуемого ЭК. Когда скорости ветра позволяют работать ВЭУ в оптимальном режиме, вырабатываемой мощности достаточно для энергообеспечения потребителя и производства водорода (зона 2). Как только скорость ветра снижается, а следовательно, и выработка электроэнергии, то недостающую мощность потребитель обеспечивает за счет использования произведенного ранее водорода (зоны 1 и 3). При полном исполь-
ффективное
нтикризисное
правление
Наука
Рис 1. Пример работы энергокомплекса
40
35 30
15 -
10 -
5 "
0 -
(серый квадрат) — на производство Н2. кВт; (зеленый квадрат) — ТЭ, кВт; (голубой квадрат) —ВЭУ, кВт; (черная черта) — нагрузка потребителя, кВт
зовании водорода или отказе системы включается ДЭУ (зона 4). Здесь не указана в явном виде работа ТНУ, однако потребляемая ею электрическая мощность может входить в состав графика нагрузки.
Срок окупаемости ВДЭК для Севера и Дальнего Востока России может составлять от 4 до 12 лет. Достаточно эффективным оказалось использование ТНУ, при мощности 4 кВт она позволяет ежегодно экономить 600 л топлива. Систему аккумуляции водорода целесообразно применять уже при стоимости топлива 100руб./л.
В рассматриваемых условиях использование энергии ветра крайне эффективно как с экономической, так и с энергетической точки зрения, в силу высоких и достаточно стабильных скоростей ветра, которые позволяют применять их с коэффициентом использования установленной мощности от 0,5 до 0,8.
Применение тепловых насосов также может оказаться эффективным для данного региона. ТНУ позволяет дополнительно экономить до 20% топлива для ВДЭК.
В случае использования системы аккумуляции на основе водорода возникает ряд существенных трудностей при определении оптимальных
Рис 2. Зависимость приведенных затрат на исследуемьп'1 энергетический комплекс отустановленной мощности ВЭУ
■А/"ВЭу,кВт
3 О I Л 1 зс )Ь LA 2 ЗС )Ь LA .3 зс )Ь [А 4
— —
— — —
— — — — — — — — — — — — — — — — — — И и
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48
Время, ч.
20121№ 2 (71)
параметров энергетического комплекса. Если взять ряд значений установленной мощности ВЭУ и для каждого значения рассчитать оптимальные параметры, то можно получить кривую (рис. 2). Анализируя этот график, можно сказать, что он имеет несколько локальных экстремумов. Приведенная функция зависит только от одного параметра. Реальная функция имеет ряд переменных: мощность электролизера, мощность топливных элементов, объем баллонов для хранения водорода. Это означает, что число локальных экстремумов значительно больше, чем на рис. 2. Данная кривая имеет ярко выраженную зону установленной мощности ВЭУ, где приведенные
ности электролизера от установленной мощности ВЭУ, для фиксированных значений объема водородохранилища при условии полного отказа от использования дизельного топлива. На рис. 4 показана зависимость необходимого объема водородохранилища от установленной мощности ВЭУ для фиксированных значений мощности электролизера при тех же условиях.
Анализ данных зависимостей показывает, что с увеличением установленной мощности необходимый объем водородохранилища и мощность электролизера уменьшаются. Чем мощнее электролизер, тем меньший объем водородохранилища требуется для работы ЭК (данный тезис
_гффективное Антикризисное травление
Рис. 3. Зависимость установленной мощности электролизера от установленной мощности ВЭУ при фиксированном объеме водородохранилища:
1-2000 нм3; 2-1500 нм3; 3-1000 нм3; 4-500 нм3
Рис. 4. Зависимость объема водородохранилища от установленной мощности ВЭУ при фиксированной мощности электролизера:
1-8 кВт: 2-10 кВт; 3-12 кВт; 4-14 кВт
дисконтированные затраты наименьшие. Итоговое решение по составу энергетического комплекса можно принять, руководствуясь следующими соображениями. Чем ниже установленная мощность ВЭУ, ТЭ и электролизера, тем меньше затраты на начальном этапе эксплуатации ЭК, однако ежегодные издержки на органическое топливо выше, и наоборот. Надежность ЭК тем ниже, чем больше последовательных элементов в системе, и выше, если имеются дублирующие элементы.
При использовании системы водородной аккумуляции резко возрастает число элементов, работающих на основе ВИЭ, а значит, обязателен учет изменения цен на данное оборудование. Разница между капитальными вложениями при оптимистичном и пессимистичном прогнозах изменения цен на оборудование ВИЭ может превышать 20%.
На рис. 3 представлено семейство кривых, отображающих зависимость установленной мощ-
справедлив при условии, что в период полного заполнения баллонов водородом происходит отключение мощностей ВЭУ).
Установленная мощность ТЭ не зависит от ка-ких-либо параметров, кроме нагрузки потребителя. Если в ЭК включена ДЭУ(БЭУ), то установленная мощность ТЭ определяется только экономикой.
Особое значение имеет вопрос хранения водорода. При решении задачи необходимо выбрать такие параметры оборудования, которые позволят использовать баллоны с минимальным объемом и отсутствием выбросов при переполнении. При этом следует соблюдать баланс: объемы запасенного водорода на начало и на конец года должны быть одинаковыми.
Проведенные расчеты показывают, что уже сегодня возможно создание ЭК на основе ветровой, теплонасосной, дизельной установок и системы аккумуляции водорода. При этом имеется
Наука
возможность отказаться от использования ДЭУ Однако для окончательного решения данного вопроса требуется эксплуатационный опыт. В целом же расчеты и исследования показывают высокую энергетическую эффективность комплекса, а при решении проблем доставки топлива - и экономическую эффективность.
Выводы
На основании проделанной работы можно заключить следующее. Как правило, в зонах децентрализованного энергоснабжения энергообеспечение осуществляется за счет ДЭУ Энергообеспечение ряда децентрализованных потребителей можно осуществить за счет ВИЭ. Наиболее эффективно использовать ВИЭ в ЭК.
С учетом географического положения России вообще и рассматриваемых регионов Севера и Дальнего Востока теплоснабжение потребителя приобретает особое значение. В этом контексте использование ТНУ совместно с установками, генерирующими электрическую энергию (например, ВЭУ), можно считать перспективным решением.
Нахождение оптимального состава, параметров и определение режима работы оборудования в ЭК, основанном на применении ВИЭ, является достаточно сложной многопараметрической задачей, однако в каждом конкретном случае ее решение позволяет наиболее эффективно получать качественную энергию при минимальных затратах по сравнению с аналогичными параметрами при использовании традиционных ДЭУ
1. Виссарионов В. И., Шестопалова Т. А., Якутов А. Н. Энергообеспечение ноосферного поселка от возобновляемых источников энергии // Энергосбережение - теория и практика. Труды Четвертой междунар. школы-семинара молодых ученых и специалистов. М.: Издат. дом МЭИ, 2008. С. 276-281.
2. Гулиа Н. К Удивительная механика. М.: НЦ ЭНАС, 2006. 108 с.
3. Дорошии А. Н., Виссарионов К И., Кузнецова В. А. Ветроводородный энергетический комплекс для энергоснабжения потребителя // Энергосбережение - теория и практика. Труды Четвертой междунар. школы-семинара молодых ученых и специалистов. М.: Издат. дом МЭИ, 2008. С. 247-251.
4. Дорошии АН., Виссарионов В.И., Малинин Н.К. Многофакторный анализ эффективности энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии для энергообеспечения автономного потребителя//Вестник МЭИ. 2011. №2. С. 45-53.
5. Зубарев КВ., Минин КА., Степанов И. Р. Использование энергии ветра в районах Севера. Л.: Наука, 1989. 233 с.
6. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии/Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1990. 392 с.
7. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. 2-е изд., перераб. и. доп. М.: Энергоатомиздат, 1983. 200 с.
8. Шпильрайн Э. Э., Малышенко С. П., Кулешов Г. Г. Введение в водородную энергетику/Под ред. В. А. Легасова. М.: Энергоатомиздат, 1984. 264 с.
Executive Sponsors;
^ branan.
НАФК0
Endorsed by:
internet Partner:
Академии Знвргвтики
Media Partners:
ТГ
їійергь; России
g-ый Ежегодный форум С5
РОССИЙСКАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА 2012
Модернизация отрасли в условиях либерализации рынка
24 -25 мая 2012 [ Гостиница Марриотт Тверская, Москва
► Ка к по вы с ить р е нтаб ельн ость и н адежн ость элен т р оэн е р гети ч е с ки х ном пан ий?
► Как обеспечить развитие конкурентоспособного, устойчивого и энергоэффективного сектора?
^ Как снизить рисни дальнейшей либерализации рынка?
► Как преодолеть барьеры препятствующие вводу «умных технологий»
► Как сбалансировать интересы производителей электроэнергии, поставщиков топлива и потребителей?
► Какие б иды финансирования лучше всего работают в текущих рыночных условиях?
► Как решить проблему неплатежей?
Форум послужит платформой для встречи с ключевыми игроками сектора, а также источником поистине бесценной информации и экспертных мнений на острые проблемы электроэнергетики России,
Попытки децентрализовать отрасль электроэнергетики в России выявили сложный и беспрецедентный ряд проблем и вопросов, связанных с балансированием интересов производителей и потребителей электроэнергии, выполнением инвестиционных программ и финансированием. Ни одна из вышеуказанных проблем не может быть решена без замены устаревшей инфраструктуры и разработки эффективных систем хранения и передачи энергии. Российская электроэнергетика находится на пороге новой главы развития и для обеспечения ее эффективного развития, перед государством и компаниями возникают совершенно новые вызовы и задачи:
Более подробную информацию Вы можете получить, ^\"
связавшись с организаторами конференции по телефону: F
+44 (о) 20 7878 6901, либо по e-mail: [email protected]
