CC BY
120УДК 621.311.1:621.316.1
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЗА СЧЕТ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ВЕТРОВЫХ И СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ С НАКОПИТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ В ОБЩУЮ ЭНЕРГОСИСТЕМУ
Сокут Л.Д., Муровская А.С.
Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», 295493 РК г. Симферополь, у. Киевская, 181 cokut36@mail.com, murovskay@mail.ru
Аннотация. В работе проанализированы перспективы развития мирового производства электроэнергии и проблемы подключения ветровых и солнечных электростанций в общую энергосистему. Рассмотрена перспектива развития возобновляемой энергетики с учетом роста потребления электроэнергии и возможностью повышения качества вырабатываемой энергии за счет применения мощных накопителей энергии, включенных во внутренние цепи электростанций на базе нетрадиционной энергетики.
Ключевые слова: электроснабжение, солнечная электростанция, ветровая электростанция, общая электросеть, накопители энергии
ВВЕДЕНИЕ
Энергетические системы и в первую очередь системы электроснабжения (СЭ) входят в число самых сложных систем, когда-либо созданных человеком, и определяют промышленное развитие в мире.
Для развития СЭ характерен непрерывный рост мощности. В период с 2007 по 2035 год объем производства электроэнергии в мире согласно прогнозу возрастет на 87% - с 18,8 трлн. кВт-ч в 2007 году до 35,2 трлн. кВт-ч в 2035 г (таблица 1), что в среднем равно 2,3% в год. Причем, производство электроэнергии растет быстрее, чем производство других видов энергоносителей -жидкого топлива, природного газа и угля [1].
В последние 15 лет наряду с ростом мощности СЭ отмечают существенные изменения:
- по составу первичных энергоносителей для производства электроэнергии (ЭЭ);
- по устройствам генерации ЭЭ;
- по системам объединения генерирующих мощностей ЭЭ в общие сети и по взаимодействию производителей и потребителей ЭЭ;
- по объединенным и автономным сетям ЭЭ;
- по расширению накопителей ЭЭ.
Перечисленные изменения СЭ носят
общемировой характер и происходят с такой скоростью, которая требует изменения многих существующих решений [1].
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
В составе СЭ используются различные источники энергоресурсов - традиционные (ТИЭ), невозобновляемые: уголь, газ, атомная энергия, и возобновляемые (ВИЭ): солнечная, ветровая, гидроэнергия, геотермальная энергия и другие.
Согласно прогнозам [2] до 2035 г будут использоваться все виды энергоресурсов, но при этом объем ВИЭ будет возрастать быстрее и существеннее по мощности по сравнению с ростом ТИЭ, (таблица 1, 2 - данные организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), в которую входят все развитые страны мира).
Мировое производство электроэнергии с использованием угля в период с 2007 г по 2035 г возрастет приблизительно в два раза - с 7,9 до 15 трлн. кВт-ч соответственно. В период с 2007 по 2035 год ожидается рост производства ЭЭ за счет использования природного газа на 2,1% ежегодно. Объем производства ЭЭ на основе природного газа во всем мире возрастет с 3,9 трлн. кВт-ч в 2007 г до 6,8 трлн. кВт-ч в 2035 г, но общий объем производства электроэнергии за счет использования природного газа даже в 2035 году будет ниже 50% объема электроэнергии, генерируемой за счет сжигания угля.
Производство электроэнергии на атомных электростанциях (АЭС) возрастет с 2,6 трлн. кВт-ч в 2007 г до 4,5 трлн. кВт-ч в 2035 г.
Общемировой спрос на энергию, согласно оценкам Международного Энергетического Агентства (МЭА) [3, 4], вырастет к 2040 г на 37%. При этом к 2040 г на использование нефти, газа, угля и низкоуглеродных источников энергии придется только четверть мирового рынка энергии. Из всех ТИЭ в будущем существенное место будет иметь только ядерная энергия, оставаясь составной частью национальных энергетических стратегий даже в странах осуществляющих поэтапное закрытие АЭС. В большинстве прогнозов мощности АЭС вырастут почти на 60% - с 392 ГВт в 2013 г до примерно 620 ГВт в 2040 г и до 874 ГВт в 2050 г.
Таблица 1.
Производство электроэнергии в странах, входящих и не входящих в ОЭСР, на основе различных источников
Регион 2007 2015 2020 2025 2030 2035 Среднегодовое изменение, %, 2007-2035 гг.
ОЭСР
Жидкое топливо 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2 -1,0
Природный газ 2,2 1,9 2,2 2,5 2,9 3,1 1,4
Уголь 3,9 3,8 3,8 3,8 4,0 4,2 0,3
Ядерное топливо 2,2 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 1,0
Возобновляемые источники 1,6 2,3 2,6 2,9 3,1 3,2 2,5
В целом по ОЭСР 10,1 10,7 11,4 12,2 12,9 13,6 1,1
Страны, не члены ОЭСР
Жидкое топливо 0,6 0,6 0,5 0,5 0,5 0,6 -0,2
Природный газ 1,7 2,2 2,8 3,2 3,6 3,7 2,8
Уголь 4,1 5,1 6,0 7,3 9,0 10,8 3,6
Ядерное топливо 0,4 0,7 1,0 1,3 1,5 1,7 5,0
Возобновляемые источники 1,8 2,7 3,2 3,7 4,3 4,8 3,5
Не члены ОЭСР, в целом 8,6 11,2 13,6 16,1 18,8 21,6 3,3
В мире
Жидкое топливо 0,9 0,9 0,8 0,8 0,8 0,8 -0,4
Природный газ 3,9 4,2 5,0 5,8 6,4 6,8 2,1
Уголь 7,9 8,8 9,8 11,2 12,9 15,0 2,3
Ядерное топливо 2,6 3,1 3,6 3,9 4,2 4,5 2,0
Возобновляемые источники 3,5 5,0 5,8 6,6 7,3 8,0 3,0
В мире, в целом 18,8 21,9 25,0 28,3 31,6 35,2 2,3
Таблица 2.
Производство электроэнергии в странах, входящих и не входящих в ОЭСР, на основе возобновляемых
Регион 2007 2015 2020 2025 2030 2035 Среднегодовое изменение, %, 2007-2035 гг.
ОЭСР
Гидроресурсы 1246 1384 1460 1530 1585 1624 0,9
Ветер 144 525 671 803 846 898 6,8
Геотермальные источники 37 57 61 66 73 80 2,8
Солнце 6 85 104 107 114 122 11,6
Другие 195 253 318 398 456 485 3,3
В целом по ОЭСР 1628 2303 2614 2904 3074 3208 2,5
Не члены ОЭСР
Гидроресурсы 1753 2305 2706 3061 3449 3795 2,8
Ветер 21 157 231 312 388 457 11,7
Геотермальные источники 21 41 47 52 68 80 5,0
Солнце 0 10 23 33 39 44 21,7
Другие 40 141 196 255 317 389 8,4
В целом, не ОЭСР 1834 2654 3203 3714 4263 4764 3,5
В мире
Гидроресурсы 2999 3689 4166 4591 5034 5418 2,1
Ветер 165 682 902 1115 1234 1355 7,8
Геотермальные источники 57 98 108 119 142 160 3,7
Солнце 6 95 126 140 153 165 12,7
Другие 235 394 515 653 773 874 4,8
В мире, в целом 3462 4958 5817 6618 7336 7972 3,0
С другой стороны, особенность использования АЭС состоит в том, что инвестиции в капиталоемкую атомную энергетику с ее длительными процедурами согласования, сроками проектирования и строительства становятся все более рискованными. На протяжении десяти лет
доля мирного атома в глобальной выработке электроэнергии снижается. В 2015 году она упала до 11% [2].
Энергетические компании, прежде работающие с «традиционными» видами топлива, все чаще
начинают инвестировать в объекты, функционирующие на основе ВИЭ.
Доклад МЭА показал, что 2015 год стал поворотным для использования ВИЭ. В 2015 г впервые в истории объем построенных в мире электростанций на базе ВИЭ превысил объем введенной в эксплуатацию традиционных электростанций - тепловых на угле и газе (ТЭС) и АЭС. Из 300 ГВт мощности новых электростанций на долю гидроэлектростанций (ГЭС), солнечных (СЭС) и ветровых (ВЭС) пришлось 153 ГВт [4].
Устройства генерации ЭЭ на основе ВИЭ представлены, в основном ВЭС и СЭС, хотя некоторый объем занимает производство ЭЭ на основе других энергоресурсов.
Основным производителем энергии ВИЭ является солнечная энергетика (фотоэлектрическая и тепловая - суммарно 57,55%), ветроэнергетика -37,14%, гидроэнергетика - 4%, энергия волн - 0,58%, приливов - 0,06%, геотермальная - 0,67%. То есть
фактически вся новая генерация ВИЭ - это СЭС и ВЭС, в том числе и для малой распределенной солнечной энергетики [5].
В 2016 г прирост мощности солнечной энергетики достигает максимальных показателей, в период 2017-2021 гг. в общей сложности глобально будет введено 450 ГВт новых СЭС, что в полтора раза больше, чем действует сегодня (рис. 1-3) [2].
Развитие солнечной энергетики можно характеризовать ростом мощности СЭС, а также объемом выпуска фотопреобразовательных электрических элементов (ФБ), поскольку основную долю СЭС составляют фотоэлектрические СЭС. Небольшая часть СЭС выполняется в виде термодинамических и башенных СЭС с различными типами гелиостатов, концентрирующими СИ, и башнями с расположенными на них котлами, паровыми турбинами и электрогенераторами (ЭГ).
В таблице 3 приведены параметры СЭС, построенных в мире с 2013 по 2016 гг [6].
Таблица 3.
Мощность крупнейших СЭС мира построенных за период с 2013 по 2016 гг.
Страна, установленная мощность СЭС, МВт Год постройки Основные параметры станции
Испания «Solaben», 200 2013 Система гелиостатов
Китай «Цинхай», 329 2013 Модульного типа
США «Генезис», 250 2014 Параболические гелиостаты
США «SEGS», 354 1984 Система из 9 станций, 936384 гелиостатов
США «ГтапраЬ», 397 2013 Система из 3 станций, 173500 гелиостатов
ОАЭ «Абу-Даби», свыше 1000 2014 Модульного типа
США «Sunlight Farm», 550 2015 8,8 млн. ФБ, тонкопленочные, с телуридом кадмия
США «Star», 579 2015 3,8 млн. 20% ФБ на шасси с системой слежения за солнцем
Индия «Gujapt», 856,8 2015 Модульного типа
Франция «Cestas», 300 2016 16,5 тыс. модулей, 983,5 тыс. ФБ, 4 тыс. км кабелей
Рис. 1. Фото СЭС в Абу-Даби, столице ОАЭ (самая крупная в мире СЭС по выработке солнечной энергии, которая обеспечивает 20 тысяч домов),
2014 г
Рис. 2. Фото СЭС мощностью 856,8 МВт, «Gujapt», Индия, 2011-2012 гг.
Рис. 3. Фото СЭС Франции. Солнечная
фотоэлектрическая станция «Cestas» (крупнейшая в Европе, расположенная в провинции Бордо во
Франции), 2016 г В связи с развитием солнечной энергетики непрерывно растет объем производства ФБ и их КПД, к 2018 г объем поставок ФБ в мире достигнет 108 ГВт.
Постоянно совершенствуется конструкция ФБ. В результате совместного проекта Американской Национальной лаборатории возобновляемой энергетики NREL швейцарского Центра электроники и микро-технологий (CSEM) и Политехнического института в Лозанне (EPFL) разработан ряд многопереходных ФБ с КПД 35,9% [1].
Двухпереходный солнечный элемент, скомпонованный из сконструированной МЯЕЬ верхней ячейки из арсенида галлия (ваЛБ) и кремниевой гетеропереходной ячейки.
Разработанный С8ЕЫ показал КПД 32,8%, а ячейка ФБ с тройным переходом, к которой был добавлен слой фосфата галлия индия (ва1пР) достигла КПД 35,9%. Полученный КПД 32,8% представляет собой новый рекорд для двухпереходных ФБ. Увеличение КПД до 35% в сочетании с эффектом объема производства ФБ, сможет привести к быстрому снижению удельной стоимости ФБ существенно ниже 1$/Вт. Например, стоимость китайских ФБ снизилась с 4,5$/Вт в 2006 г до 1$/Вт в 2011 г.
Ветроэнергетика наряду с солнечной энергетикой, присутствует в более, чем 100 станах мира, и ежегодно возрастает значительными темпами. На рис. 5 показаны суммарные мощности ВЭС в мире по годам, с 2001 г по 2016 г [7, 8]. В 2016 г в мире всего было введено ВЭС мощностью 54,6 ГВт. Мощность ВЭС с 2007 по 2016 гг. увеличилась в пять раз - до 466 ГВт (рис. 4).
-..-.nil
2001 И« №1 да Ш М 200? 2009 Ж 2010 2911 2012 20» 2014 261» 2016
Рис. 4. Рост мощности ВЭС в мире с 2001 по 2016 гг.
В составе СЭ используются
ветроэлектроустановки (ВЭУ), с высотой башни до 150 м, ветротурбины (ВТ) обычно с тремя лопастями длиной от 8 до 90 м, ЭГ и трансформатор (ТР) [9]. Мощность ВЭУ составляет от 0,1 до 15,0 МВт. Значительная часть ВЭС сооружается на шельфе моря вблизи берегов (рис. 5, 6).
В таблице 4 приведены параметры крупнейших ВЭС мира построенные за период с 2009 по 2016 гг.
Таблица 4.
Мощность крупнейших ВЭС мира построенных за период с 2009 по 2016 гг.
Страна Установленная мощность ВЭС, МВт Год Некоторые параметры станций
Китай, «Ганьсу» 7965 2009 К 2020 г. планируется увеличить мощность до 20 ГВт
Индия, «Муппандал» 1500 2011
Индия, «Джайсалмер» 1064 20012012 ВЭУ мощностью от 0,35 до 2,1 МВт
США, «Alta Wind Energy Center» 1550 20102015 ВЭУ мощностью 3 МВт (290) и мощностью 1,5 МВт (100)
США, «Shepherds Flat Wind Farm» 845 2012 ВЭУ мощностью 2,5 МВт, планируется увеличить мощность ВЭС до 3000 МВт
Великобритания, «Лондон Эррей» 630 2013 Крупнейшая шельфовая ВЭС, в устье Темзы, ВЭУ мощностью 3,6 МВт
Великобритания «Greater Gabbard, Саффолк» 504 2012 Крупнейшая оффшорная ВЭС, ВЭУ мощностью 3,6 МВт
Великобритания, «Walney Wind Farm» 367 2012 Оффшорная ВЭС, ВЭУ мощностью 3,6 МВт
Великобритания, «Sheringham Shoal Offshore Wind Farm» 315 2012 Оффшорная ВЭС, ВЭУ мощностью 3,6 МВт
Рис. 5. Фото ВЭС «Шефердс Флэт», США, мощностью 845 МВт
Л ^
Рис. 6. Фото ВЭС на шельфе Северного моря в Германии
Для развития ВЭС характерно повышение КИУМ до 40 - 46 % за счет оптимального выбора конструкции ВЭУ при сооружении ВЭС на данной площадке, а также за счет совершенствования конструкции ВТ - снижения скорости ветра трогания турбины до 2,0 - 2,5 м/с и номинальной скорости ветра до 5,5 - 8,5 м/с.
Общая характеристика развития ВИЭ до 2016 г и дальнейший прогноз такого развития до 2050 г приведен в [3] (рис. 7).
УСТАНОВЛЕННАЯ МОЩНОСТЬ ВИЗ В МИРЕ 2000-2016 ГОДАХ {ТЫС.МВТ|
Q Hinte ГЭС | Саиигифнршииэютмижр™ Q Внемые ВЭС Q Бквтиво
□ ОфСирн ВЭС □ Бнога!
□ СЭС | Гвотермалыадщш
332,5 Н 277,1 = И
1Б7,Е 13±£ =
89,2 97,2 Щ- _=и~й
2000 2MI 2002 2003 2W 2005 2006 Ж 2И 2009 2010 ¡»11 2012 2013 20И 2015 2016
Рис. 7. Диаграмма установленной мощности ВИЭ в мире с 2000 по 2016 гг.
Общая доля ВИЭ в мировом производстве энергии достигнет 30-45% в 2035-2045 гг. и 50-70% к 2050 г [3]. Уже сейчас ежегодные инвестиции в альтернативную энергетику в мире достигли $300 млрд., что сопоставимо с финансовыми потоками, направляемыми на добычу нефти и газа. А в ближайшие десять лет глобальные инвестиции в создание и развитие генерирующих мощностей на основе ВИЭ могут достичь $1,9 трлн.
Перспективность этого направления понимают и в странах, богатых традиционными энергоресурсами, которые с развитием ВИЭ могут потерять свое влияние на мировой арене. К примеру, Саудовская Аравия имеет масштабные планы развития альтернативной энергетики к 2030 г. Инвестиции в программу могут достичь $3050 млрд., а доля вырабатываемой за счет ВИЭ электроэнергии должна составить 30% [3].
Страны Евросоюза договорились увеличить долю энергии, вырабатываемой на основе ВИЭ до 27% к 2035 году. Однако, по данным Eurostat, многие члены ЕС уже достигли этого показателя. Так, в Швеции ВИЭ обеспечивают более половины потребностей страны в энергии. К 2040 г Швеция собирается вырабатывать 100% электроэнергии на основе ВИЭ. В 2015 г было объявлено, что Швеция намерена стать первым в мире государством, полностью отказавшимся от ископаемого топлива. Можно также отметить Финляндию, Латвию, Австрию и Данию, где доля ВИЭ в конечном потреблении энергии превысила 30%.
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
Целью данной работы является анализ мирового производства электроэнергии и разработка схемных решений объединения генерирующих мощностей ЭЭ различных типов в общие сети с применением современных накопителей энергии (НЭ) для
повышения эффективности работы СЭС и ВЭС в объединенной энергосистеме, улучшения стабильности работы станций, выравнивания переменных графиков нагрузок, снижения колебаний мощности и повышения надежности электроснабжения. Наибольшие изменения в развитие СЭ связаны с увеличением доли ВИЭ в составе генерирующих мощностей сетей.
Решаемой задачей явилась оценка роста доли ВИЭ в мировой энергетике, что создает определенные трудности для управления работой СЭ и отраслью электроснабжения в целом, поскольку генерация на основе солнца и ветра имеет прерывистый и непредсказуемый характер. Как известно, все ВИЭ характеризуются нестабильными потоками первичных энергоресурсов, в частности, энергии ветра и солнечного излучения. Увеличение доли генерации на основе ВИЭ в структуре электроэнергетики многих стран и регионов ставит определенные вызовы перед СЭ. Каким образом возрастающая доля нестабильных потоков энергии, имеющих случайный характер, может быть безопасно интегрирована в СЭ с наименьшими потерями электроэнергии и без ущерба для их надежности при выполнении суточных графиков покрытия нагрузки потребителей. [5, 6, 10].
В настоящее время вопросы интеграции в СЭ нестабильных возобновляемых источников энергии глубоко изучены и основательно проработаны. Накоплен и описан богатый практический опыт использования ВИЭ в разных государствах. Общие принципы обращения с ними составлены и подробно сформулированы.
Опыт начального применения ВИЭ в СЭ показал, что интеграция малых объемов переменчивых ВИЭ (доля в 5-10% общей генерации ЭЭ) в сеть - не вызывает нарушения работы СЭ. В этом случае нестабильная генерация ВЭС и СЭС классифицируется просто как ежедневные и естественные изменения спроса на электроэнергию.
На втором этапе ВИЭ уже начинают серьезно влиять на систему, но данное влияние регулируется относительно просто путем усовершенствования некоторых практических методов управления СЭ, например, с помощью длительного прогнозирования выработки ВЭС и СЭС. На данной стадии находятся Чили, Китай, Бразилия, Индия, Новая Зеландия, Австралия, Нидерланды, Швеция, Австрия, Бельгию, в которых доля ВИЭ в годовой генерации составляет от 3% до почти 15%.
На третьем этапе возникают существенные вызовы для СЭ в плане интеграции нестабильных ВИЭ. Их влияние ощущается как на уровне системы в целом, так и на практике работы других традиционных электростанций. Здесь на первое место выходит гибкость СЭ - ее способность реагировать на неопределенность и изменчивость баланса спроса и предложения. Два главных ресурса этой стадии: управляемые (маневренные) электростанции и новые технологии накопления энергии.
Исследования проектов применения ВИЭ в 2010 -2015 гг. показало, что нынешний уровень гибкости СЭ технически позволяет «работать» с годовой долей переменчивой генерации в 25-40%. В соответствии с тем же анализом, «в очень гибких системах» доля ВИЭ может превысить 50% если допускается возможность вынужденных остановок «небольших объемов» генерации на основе ВИЭ.
Интеграция больших объемов ВИЭ требует трансформации СЭ в целом. Возникает необходимость просто добавлять новые объекты генерации к «старой», работающей как обычно, системе, а о полном переформатировании системы. При этом традиционные ТЭС во многих случаях становятся страховочным резервом для разнообразных ВИЭ. На четвертом этапе находятся страны с долей переменчивой ВИЭ генерации в 25%-50% годовой выработки и с ее кратковременными повышениями до 100% и более суточного потребления. Здесь вызовы носят высокотехнологический и менее интуитивный характер. На четвертой стадии требуется еще большая гибкость системы, способность к самовосстановлению после резких и объемных колебаний выработки. В целом меняется в СЭ соотношение «производитель - потребитель».
Интегрировать в систему можно любую электростанцию, а неопределенность в плане выработки ЭЭ присуща для любого объекта генерации (поломки, перебои с поставками топлива и т.д.). Нахождение нестабильных ВИЭ в системе не означает, что нужно строить какие-либо дополнительные регулируемые (маневренные) мощности. Напротив, в той степени, в которой ВИЭ добавляют мощность в систему, снижается потребность в других энергетических мощностях (мощность ВИЭ в системе увеличивается с расширением географии электростанций и диверсификацией источников энергии). В результате, при высоких долях ВИЭ, остальная часть электростанций должна в большей степени обеспечивать запас мощности, чем выработку электроэнергии [1].
То есть общую пользу, получаемую при добавлении в СЭ солнечной или ветряной генерации нельзя указать. Эта системная ценность применения ВИЭ определяется сочетанием положительных и отрицательных факторов, включающих снижение стоимости топлива, сокращение выбросов двуокиси углерода и других загрязняющих веществ, или более высокие затраты на дополнительную сетевую инфраструктуру.
Ветровая и солнечная энергетика может «безболезненно» интегрироваться в СЭ с помощью соответствующих стратегий интеграции [9, 11]. Можно выделить шесть важных направлений:
1) Оказание ВЭС и СЭС системных услуг по увеличению выработки ЭЭ. Для этого необходимы соответствующие изменения в нормативной базе.
2) Развертывание объектов ВИЭ генерации в тех районах, где они могут обеспечивать большую
системную ценность (например, ближе к местам наивысшего спроса).
3) Диверсификация источников ВИЭ - взаимное дополнение солнечной и ветровой генерации за счет развития гидроэнергетики
4) Локальная интеграция с другими ресурсами. Речь идет о повышении доли собственного (локального) потребления энергии, производимой на месте, благодаря использованию комплекса (пакета) решений. Например, комбинация СЭС с накопителями энергии (НЭ) и использование механизмов по управлению спросом. Это снижает потребность в инвестициях в распределительные сети.
5) Оптимизация периода генерации. Конструкция установок в составе ВЭС и СЭС может быть оптимизирована для облегчения их интеграции в сеть. Например, использование больших лопастей на ВТ и снижение рабочих скоростей ветра ВТ при той же установленной мощности ВЭУ уменьшает интеграционные вызовы, поскольку ВЭУ производит электричество с большей стабильностью.
6) Комплексное планирование, мониторинг и контроль. Стоимость разных технологий генерации и производимая ими электроэнергия динамично меняются. Следовательно, оптимальная структура генерации также меняется со временем, что требует регулярной корректировки стратегий.
В итоге расширения доли ВИЭ в СЭ сети не строят таким образом, чтобы резервировать какую-то конкретную группу электростанций. Важно, чтобы СЭ в целом обеспечивала соответствие спроса и предложения. Такое отношение производителей ЭЭ и потребителей в сети получило название концепции «Умные сети» (Smart Grid) [12]. В этом случае СЭ из пассивного устройства транспорта и распределения электроэнергии превращается в активный элемент, параметры и характеристики которого изменяются в реальном времени в зависимости от режимов работы энергосистемы. По мнению идеологов концепции «Smart Grid», энергетическая система, построенная по данному принципу, должна упростить взаимодействие объектов традиционной и распределенной генерации с имеющими стохастические (случайные) графики выработки электроэнергии ВИЭ.
Технологические инновации в связи с применением ВИЭ приводят к изменению традиционной роли единой и автономной СЭ в распределении электроэнергии. Расширение распределенной генерации и энергохранилищ на основе НЭ в автономных СЭ, развитие сложных систем по управлению отношений «производитель -потребитель» ведет к снижению роли единых центральных СЭ.
Если к автономным распределенным источникам энергии добавить энергохранилища, стоимость которых будет падать пропорционально растущему спросу, легко представить появление так называемых «просьюмеров» - потребителей энергии, одновременно являющихся ее производителями.
Все идет к тому, что потребители, или «просьюмеры», будут торговать электричеством друг с другом через умных посредников, способных управлять совокупным спросом и объединять различные типы генерации [12].
Применение ВИЭ и НЭ существенно меняет тенденции в развитии централизованного электроснабжения. Децентрализованное и автономное электроснабжение получает
значительные преимущества перед
централизованными СЭ, в первую очередь, по стоимости и снижению потерь ЭЭ при передаче и распределении. Для примера на рис. 10 приведена карта России с указанием зон нецентрализованного и автономного электроснабжения, в которых проживает 25 миллионов человек. Применение ВИЭ и НЭ в этих областях страны происходит особенно интенсивно [5].
Увеличение мощности ВИЭ, в частности, расширяющееся применение ВЭС и СЭС в ЭЭ во всем мире привело к значительному росту производства мощных НЭ [8, 13].
Рис. 10. Карта России с указанием зон нецентрализованного и автономного электроснабжения
Наибольшее применение в ЭС получили химические аккумуляторные батареи (АК). Больше половины эксплуатируемых АК - свинцово-кислотные, главным их недостатком является относительно небольшой срок службы - до десяти лет. Распространены никель-кадмиевые и серно-натриевые АК. В настоящее время проявляется повышенный интерес к литий-ионным накопителям, постоянно ведется работа по их усовершенствованию. Они обладают высокой энергоемкостью, глубокими циклами заряда-разряда (70-80%), низким током саморазряда, отсутствием эффекта памяти, следовательно, лишены недостатков, присущих НЭ других типов. Тем не менее, у литий-ионных аккумуляторов есть и свои недостатки: высокая удельная стоимость, недостаточный ресурс работы (небольшое количество циклов заряда-разряда), существенное уменьшение ресурса при работе в пиковых режимах
при заряде и разряде, наличие специальных требований к глубине разряда.
Активно ведется разработка алюминиево-ионных АК, которые будут способны заместить более распространенные на рынке литий-ионные АК. Ключевые достоинства таких АК это высокая энергоемкость и высокая скорость зарядки. Но самое главное это стоимость киловатт-часа, выданного таким АК, потенциально будет как минимум в полтора раза ниже других аналогов просто из-за того, что алюминий дешевле лития.
Все типы электростатических накопителей связываются с сетью через устройства силовой электроники - преобразователи тока или напряжения.
Все ВИЭ характеризуются значительными колебаниями первичного потока энергии. Резкое изменение скорости ветра, как уменьшение скорости, так и возрастание скорости, требуют немедленной замены мощности данной ВЭС за счет ТЭС или НЭ. Колебания солнечного излучения (СИ) в течение суток таково, что пиковая мощность приходится на середину светлой части суток, а пиковая нагрузка сети - на вечернее время. При этом величина СИ сильно зависит от состояния атмосферы и от времени года.
Таким образом, чтобы подготовиться к непредсказуемым перебоям в выработке солнечной или ветровой энергии, ЭЭ должны иметь наготове больше резервов ТЭС вне зависимости от потребной мощности в данный момент. В результате применение ВЭС и СЭС опосредовано ведет к увеличению углеродных выбросов на ТЭС.
Еще одним аргументом в пользу применение НЭ служит тот факт, что в ночное время скорость ветра обычно выше и большое количество электроэнергии ВЭС в ночные часы некому потреблять.
ю
0.8
■о
о?
^ 04 5 0.2 0.0
00:00 06:00 12:00 18:00 00Л0
1.0
с 0.8 "X
I 0.6
■о
О)
=1 0.4 1
3 0.2 00
00:00 00:00 12:00 18Л0 ГОЛО
Рис. 11. Характерные графики изменения генерации ВЭС и СЭС в течение суток
Wind
FV
Большой интерес представляют собой широко обсуждаемые в настоящее время вопросы о роли и месте НЭ в «Умных сетях» [14], построение которых практически невозможно без НЭ. В такой системе применение НЭ целесообразно как в качестве НЭ, которые работают одновременно с сетью, добавляя или забирая часть нагрузки, так и в качестве традиционных источников бесперебойного питания (ИБП), которые работают только тогда, когда по каким-то причинам отключилось внешнее электропитание. На рис. 11 приведены характерные графики изменения генерации ВЭС и СЭС в течение суток.
Основные функции НЭ в составе СЭ:
- выравнивание графиков нагрузок сети и демпфирование колебаний мощности для повышения устойчивости ЭС;
- стабилизация работы децентрализованных источников энергии, включая ВИЭ;
- расширение доступной мощности СЭ для покрытия пиковых нагрузок сети, стабилизация СЭ в переходных режимах;
- обеспечение резервного электроснабжения при ограничении мощности генерации и в аварийных режимах;
- обеспечение компенсации реактивной мощности и активной фильтрации высших гармоник в напряжении СЭ.
На рис. 12 приведен график прогноза роста рынка НЭ к 2021 г [13, 14].
Рис. 12. График прогноза роста рынка НЭ, млрд. $
В целом глобальные производственные мощности по производству аккумуляторов до 2021 года увеличатся более чем в два раза, превысив 278 ГВт-час. в год по сравнению с 103 ГВт-час. в настоящее время [14].
К 2030 г ожидается, что цены на аккумуляторные батареи упадут до 73 долларов за кВт-час., по сравнению с средневзвешенной ценой 273 доллара за кВт- час. в 2016 г.
Для примера применения НЭ компания Тесла построит крупнейший в мире НЭ в Австралии [15]. Объект мощностью 100 МВт и ёмкостью 129 МВт- ч, скомпонованный из «Tesla Powerpack energy storage system», будет возведён в штате Южная Австралия, известном высокой долей ВИЭ в электроэнергетике и, при этом, слабой энергетической инфраструктурой. Крупнейшая действующая на нынешний день промышленная система хранения энергии на основе АК - это объект AES Energy Storage в Сан-Диего (США) с
параметрами 30 МВт/120 МВт-ч. В то же время ранее сообщалось, что в той же Австралии в работе находится батарейный накопитель энергии ёмкостью 4000 МВт- ч, то есть существенно более крупный, чем у Тесла. Там же в Австралии «Lyon Group» строит две системы хранения на основе литий-ионных АК с характеристиками 100 МВт/400 МВт- ч и 100 МВт/200 МВт-ч.
НЭ на основе литий-ионных батарей уверенно занимают своё важное место в мировой энергетике, становятся неотъемлемой частью энергетического ландшафта, и единичные размеры этих систем хранения энергии начинают перешагивать за отметку 100 мегаватт мощности.
На рис. 13 показано фото СЭС на острове Кауаи (Kauai) Гавайского архипелага (штат Гавайи), США. Объект состоит из ФБ суммарной мощностью 13 МВт (примерно 55 тысяч модулей) и промышленных НЭ (272 штуки) Tesla Powerpack-2, емкостью 52 МВт- часа компании Тесла [15].
На рис. 14. приведено фото буферного АК для ВЭС на острове Хоккайдо. Мощность ВЭС 61 МВт, мощность буферного НЭ - 34 МВт, время работы 8 часов.
Рис. 13. Фото СЭС на острове Кауаи (Kauai) Гавайского архипелага. На переднем плане фото -блоки НЭ общей емкостью 52 МВт-ч
Рис. 14. Фото буферного НЭ для ВЭС на острове Хоккайдо мощностью 34 МВт
Проведенная авторами работа на основании аналитических исследований и результатов опыта эксплуатации СЭ в Республике Крым в период дефицита электрической генерации в 2014 г позволила разработать схемные решения по включению в систему электрогенерации ВЭС и СЭС мощных НЭ (рис. 15, 16), что может обеспечить надежную генерацию электроэнергии на СЭС и ВЭС в течение 4-6 часов независимо от погодных условий, и позволило бы надежно иметь до 400 МВт мощности столь необходимых в период нехватки ЭЭ с материка.
_:ч: Г^.: vl-C J
Рис. 15. Схемное решение по включению в СЭ СЭС мощных НЭ
Г А1 TPl А2 СШ 1(1 К'В
(б)—□-fi--*ft-
-----!*0=
р
'/■ i
-□♦ОС-'
А? НЭ А4 ПР ТР2 АЗ
Рис. 16. Схемное решение по включению в СЭ ВЭС мощных НЭ: Г - генератор, А1 - А5 -автоматический выключатель, ТР1 - ТР2 -трансформатор, ПР - преобразователь, НЭ -накопитель энергии, Р - разрядная линия, З -зарядная линия
ВЫВОДЫ
1. В работе проведен анализ мирового производства электроэнергии на различных станциях традиционной энергетики и перспективы развития ВИЭ, в частности промышленных СЭС и ВЭС при включении в единую электрическую сеть, показана актуальность применения мощных накопителей энергии в связи со случайным характером первичных потоков солнечной и ветровой энергии.
2. Задачи по увеличению доли мощности ВЭС и СЭС в общей энергосистеме, планируемые в мире к 2035 г, могут быть решены только с применением эффективных НЭ.
3. Разработанные схемные решения по включению мощных НЭ в СЭ на базе ВИЭ позволит обеспечить стабильное электроснабжение независимо от погодных условий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сокут Л. Д. Основные этапы расчета параметров солнечной электростанции / Э.А. Бекиров, Л. Д. Сокут // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2013. - № 17(39). - С.29-35.
2. Электронный ресурс: http://www.ruscable.ru/article/Peiispektivy_iazvitiya_miroYoJ _е1ек1гоепещейМ_1 / Перспективы развития мировой электроэнергетики до 2035 года.
3. Электронный ресурс: http://uabio.org>/ Анализ энергетических стратегий стран ЕС и мира.
4. Электронный ресурс: http://www.be5.biz/ekonomika1/r2012/2109.htm / Перспективы развития мировой электроэнергетики.
5. Сокут Л.Д. Возможности повышения эффективности солнечных электростанций в объединенной электрической сети за счет применения накопителей энергии [Текст] / Л. Д. Сокут, А. С. Муровская, А.Н. Курзо // Сборник статей Международной научно-практической конференции «Внедрение результатов инновационных разработок: проблемы и перспективы» (Пермь, 08.02.2017 г.). - В 2 ч. Ч.1 / Уфа: Омега сайнс, 2017. - С.70-73.
6. Муровский С.П. Проблемы подключения ветровых и солнечных электростанций в общую энергосистему Республики Крым [Текст] / С.П. Муровский, Л. Д. Сокут, А.С. Муровская // Сборник научных статей « Актуальные проблемы общества в современном научном пространстве». Выпуск №29. В 2 ч. Ч.2 - Уфа: АЭТЕРНА, 2017. - С. 28-31.
7. Безруких П.П. Ветроэнергетика (справочное и методическое пособие). - М.: «Энергия», 2010. - 320 с.
8. Электронный ресурс: http://е-veterok.ru/akkumu1yatori_razde1.php / Аккумуляторы для ветряных и солнечных электростанций.
9. ГОСТ Р 51237-98. Нетрадиционная энергетика -ветроэнергетика. Утвержден и введен в действие постановлением Госстандарта России от 25 декабря 1998 г. N 460 ст. - М.:Издательство стандартов, 1999. - 14 с.
10. Сокут Л.Д. Расчет параметров накопителей энергии для солнечных электростанций при включении их в объединенную энергосеть [Текст] / Л.Д. Сокут, С.П. Муровский, В.П. Лесик // Международный научный журнал «Символ науки», № 02-2/2017/ - В 2 ч. Ч 2. -Уфа: АЭТЕРНА, 2017. - С. 74-77.
11. ГОСТ Р 51594-2000. Нетрадиционная энергетика - солнечная энергетика. Утвержден и введен в действие постановлением Госстандарта России от 21 апреля 2000 г, № 119. - М.: Издательство стандартов, 2000. - 12 с.
12. Электронный ресурс: http://peretok.ru/artic1es/innoYations/5253 / Сетевые накопители: новое в управлении энергосистемой.
13. Электронный ресурс: www.e1ektro-Journa1.ru / Применение накопителей энергии в электроэнергетике.
14. Электронный ресурс: www.ntc-power.ru/innavative_projects/drives_ajarge_electric_power _епег^/Накотпели электрической энергии большой энергоемкости.
15. Электронный ресурс: http://renen.ru/tes1a-so1ar-p1us-storage-power-p1ant-hawaii / Электростанция с накопителями на Гавайях. Компания Tes1a.
Sokut L. D., Murovskaya A. S.
PROSPECTS OF DEVELOPMENT OF POWER SUPPLY SYSTEMS BY CONNECTING WIND AND SOLAR POWER WITH ENERGY STORAGE INTO THE GRID
Annotation. The article analyzes the development prospects of the world's electricity production and connection problems of wind and solar power into the grid. The prospect of renewable energy development taking into account the growth of electricity consumption and improve the quality of energy produced through the use of powerful energy storage devices that are included in the internal circuit of power plants based on unconventional energy. Key words: electricity, solar power, wind power, total grid energy storage
