На сегодняшний день основные проблемы энергетики связаны со стремительным ростом народонаселения Земли, увеличивающимся загрязнением окружающей среды, дефицитом энергии и ограниченностью топливных ресурсов. В настоящее время в энергетической отрасли преобладает энергетика на топливной основе. Примерно 90 % имеющихся видов топлива – химическое топливо на основе природных ископаемых. Такие ископаемые, как уголь, нефть, газ и продукты их переработки, являются исчерпаемыми, то есть могут закончиться.
Если рассматривать экологические аспекты планеты, то преобладание топливной энергетики над возобновляемыми источниками энергии негативно влияет на экологию отдельных районов и планеты в целом. Учитывая постоянное увеличение потребности в традиционных источниках энергии, можно предположить, что глобальное потепление будет все активнее. Причиной потепления является парниковый эффект. В свою очередь, парниковый эффект возникает из-за чрезмерных выбросов углекислого газа, который выбрасывается в атмосферу в конце цикла работы тепловых станций. Имеющиеся дорогостоящие очистительные сооружения на тепловых электростанциях не справляются с выбрасываемыми оксидов серы и азота. Атомные электростанции более опасны, выбрасывая около 26 т радиоактивных отходов в день. Огромную опасность атомные ЭС представляют для человечества, имея риски аварий. Все это вызывает справедливую тревогу экологов и ведет к необходимости перехода на новый технологический уровень, обеспечивающий существенно более высокие показатели эффективности. В современной энергетической системе наблюдается дефицит электроэнергии, несмотря на значительные усилия и затраты. Связано это с тем, что количество территорий с децентрализованным электроснабжением достигает порядка 63 %. В Российской Федерации существует необходимость обеспечения автономного энергообеспечения для потребителей, проживающих в отдаленных районах, где отсутствуют энергосети или электроснабжение непостоянно по разным причинам. Эта проблема особенно актуальна для малых городов и поселков. Организация автономного энергообеспечения является неотъемлемой частью развития таких территорий [1, c. 119–123].
Исследования показывают, что промышленные гибридные энергетические комплексы являются действенным способом перехода от традиционных источников энергии к энергосистеме с высокой долей возобновляемых источников энергии.
Гибридный энергетический комплекс (ГЭК) представляет собой сочетание установок для производства электрической энергии, включающее в себя два или более источников, объеденные в рамках единого технологического процесса [2, с. 11–17].
Стоимость электрической энергии, получаемой из Единой энергетической системы России, для многих промышленных потребителей приближается к стоимости энергоснабжения от собственных генерирующих мощностей (включая стоимость их строительства), что в том числе приводит к развитию распределенной генерации и уходу потребителей от централизованного энергоснабжения. По этой причине виден постоянный рост тарифов на электрическую и тепловую энергию, что приводит к тому, что потребители в большей мере задумываются о собственной генерации. На рис. 1 приведена динамика снижения стоимости электроэнергии, получаемой от солнечных и ветряных электростанций.
Непостоянство источников энергии (солнца и ветра) добавило «вероятностную» составляющую к выработке электрической энергии к уже имеющейся в составе спроса на электроэнергию.
Рис. 1. Динамика приведенной стоимости электроэнергии (LCOE) от солнечных и ветряных электростанций в 2009–2020 гг., USD/МВт-ч
Учитывая то, что потребление электроэнергии является непостоянным, для обеспечения устойчивой работы энергосистемы требуется дополнительное повышение гибкости.
Гибкость энергосистемы, как показывает зарубежный опыт, может обеспечиваться газотурбинными установками, обладающими высокой маневренностью [3, с. 221–226]. Но тогда не обеспечивается нужная экологичность, так как имеются продукты распада в процессе работы данных установок. Еще одним способом, позволяющим снизить «непредсказуемую» составляющую генерации, является использование систем накопления энергии (СНЭ).
Рассматривая микроэнергосистемы как источники гибкости, можно обеспечить функции сервисов гибкости, к которым относятся:
− управление спросом;
− обеспечение аварийного и третичного резерва мощности;
− регулирование нагрузки;
− регулирование уровня напряжения и компенсация реактивной мощности.
Производство электроэнергии из возобновляемых источников энергии имеет небольшую практическую эффективную мощность со значительными колебаниями мощности и неконтролируемостью процессов. В обеспечение минимизации колебаний мощности, выравнивания графика генерации требуется координация действий с другими формами энергии, например малой ГЭС. Это поспособствует сокращению пиков и заполнения провалов.
Преимущества малых ГЭС выражены в том, что вырабатывается сравнительно малое, но требуемое количество электроэнергии. Гидротехнические сооружения не затрудняют в строительстве, так как чаще всего представляют собой низконапорное сооружение или деривационный канал с подводом к станционной части. Возможна полная автоматизация процесса. Сезонный характер при выработке электроэнергии, а именно заметные спады в зимний период, приводит к пользованию малой гидроэнергетики как резервной или дублирующей генерирующей мощности или составной частью энергокомплекса [4, с. 128–132]. Обеспечивая высокую маневренность, установки ГЭС помогут в снижении влияния непрогнозируемых колебаний графика генерации ВИЭ. После указанных мероприятий ожидается повышение энергоэффективности ГЭС при помощи генерации на ВИЭ.
Из вышеизложенного следуют тезисы о перспективах использования МГЭС:
1. Устранение энергодефицита в изолированных районах.
2. Уменьшение затрат на привозное топливо за счет его частичной замены «чистой» электроэнергией.
3. Строительство объектов в короткие сроки.
Гибридные энергетические системы в основном объединяют несколько различных источников возобновляемой энергии. Например, солнечные батареи, мини-ГЭС и другие устройства для хранения энергии предназначены для обеспечения электрической энергией различных объектов. Кроме того, в состав таких систем могут входить источники тепловой энергии, такие как биогазовые установки и солнечные тепловые коллекторы, а также источники на органическом топливе, например, дизель-генераторы, которые могут использоваться как резервное питание. Технологические конфигурации могут быть классифицированы в соответствии с видом напряжения в сети: постоянного, переменного тока или смешанные линии [5, c. 19–23].
Материалы и методы исследования
В качестве примера был рассмотрен п. Усть-Камчатск, расположенный на восточном побережье полуострова Камчатка, в устье р. Камчатка. В поселке действуют морской порт и рыбокомбинат, а также предприятия деревообрабатывающей промышленности – Усть-Камчатская лесоперевалочная база. Электроснабжение поселка производится дизельной электростанцией, которая входит в состав Усть-Камчатского района электросетей. Введена в эксплуатацию в 1974 г., в состав АО «ЮЭСК» принята в июле 2001 г. Состав генерирующего оборудования приведен в табл. 1.
Таблица 1
Генерирующее оборудование АО «ЮЭСК» п. Усть-Камчатск
|
Наименование |
Количество, шт. |
Марка |
Мощность, кВт |
|
Дизель-генератор |
9 |
Г-72 |
800 |
|
Дизель-генератор |
1 |
LB8250ZLD-1 |
1000 |
Таблица 2
Основные характеристики изолированного энергоузла п. Усть-Камчатск
|
Численность населения, чел |
5659 |
|
Максимальная мощность потребителей, кВт |
5500 |
|
Минимальная мощность потребителей, кВт |
2000 |
|
Установленная мощность ДЭС, кВт |
8200 |
|
Установленная мощность ВЭС, кВт |
1005 |
|
Годовая выработка, млн кВт∙ч |
21,157 |
|
Фактический расход дизельного топлива в 2022 г., т |
5179 |
Таким образом, себестоимость электрической энергии составляет 37,2 руб. за кВт∙ч.
Основные характеристики изолированного энергоузла п. Усть-Камчатск приведены в табл. 2.
Результаты исследования и их обсуждение
Оптимизация параметров гибридной энергетической системы осуществляется на основе заданных критериев. Каждый из элементов системы имеет свои критерии, которые определяются при работе на определенном горизонте планирования. Этот горизонт планирования зависит от особенностей возобновляемых энергетических ресурсов, которые поступают в систему. Применение автономной гибридной генерирующей системы электроснабжения может быть очень полезным. Такая система позволяет существенно сократить использование органического топлива. Исходя из этого, к применению предлагается схема автономной гибридной генерирующей системы электроснабжения, представленная на рис. 2.
В состав такой гибридной генерирующей системы входят:
− ветроэнергетическая установка – с установленной мощностью 1 МВт (4 шт. по 250 кВт);
− МГЭС – с установленной мощностью 2,4 МВт;
− ДГУ.
Кроме того, следует отметить, что рациональность строительства ГЭК проявляется в использовании нескольких менее мощных ВЭУ, в отличие от одной с большой мощностью. По итогу получаем упрощение процесса монтажа электростанции и повышение ее надежности, так как имеется резерв: при выходе из строя одного узла остальные части системы продолжают функционировать [6, с. 185–189].
Рис. 2. Структурная схема ГЭК
Таблица 3
Результаты расчетов предполагаемой выработки электроэнергии ГЭК
|
Р/П |
Коэффициент сезонности, kc |
Объем потребления электрической энергии, ГВт·ч |
Повторяемость (%) различных градаций скорости ветра 6–7 м/с |
Объем выработки ВЭУ, МВт·ч |
Объем выработки МГЭС, ГВт·ч |
Объем выработки ДГУ, ГВт·ч |
КИУМ ВЭУ, % |
КИУМ МГЭС, % |
Доля замещения ДГУ, % |
Объем экономии дизтоплива, т |
|
Январь |
1 |
2,500 |
10,4 |
77,38 |
1,7856 |
0,64 |
7,7 |
100 |
74,40 |
372 |
|
Февраль |
1 |
2,500 |
10,4 |
77,38 |
1,7856 |
0,64 |
7,7 |
100 |
74,40 |
372 |
|
Март |
0,8 |
2,000 |
11,4 |
84,82 |
1,7856 |
0,13 |
8,5 |
100 |
93,50 |
374 |
|
Апрель |
0,8 |
2,000 |
12,7 |
94,49 |
1,7856 |
0,12 |
9,4 |
100 |
94,00 |
376 |
|
Май |
0,8 |
2,000 |
14,2 |
105,65 |
1,7856 |
0,11 |
10,6 |
100 |
94,50 |
378 |
|
Июнь |
0,7 |
1,750 |
12,3 |
91,51 |
1,178496 |
0,48 |
9,2 |
66 |
72,57 |
254 |
|
Июль |
0,7 |
1,750 |
7,8 |
58,03 |
1,178496 |
0,51 |
5,8 |
66 |
70,86 |
248 |
|
Август |
0,7 |
1,750 |
8,0 |
59,52 |
1,178496 |
0,51 |
6,0 |
66 |
70,86 |
248 |
|
Сентябрь |
0,9 |
2,250 |
9,6 |
71,42 |
1,7856 |
0,39 |
7,1 |
100 |
82,67 |
372 |
|
Октябрь |
0,9 |
2,250 |
12,1 |
90,02 |
1,7856 |
0,37 |
9,0 |
100 |
83,56 |
376 |
|
Ноябрь |
0,9 |
2,250 |
14,2 |
105,65 |
1,7856 |
0,36 |
10,6 |
100 |
84,00 |
378 |
|
Декабрь |
1 |
2,500 |
10,4 |
77,38 |
1,7856 |
0,64 |
7,7 |
100 |
74,40 |
372 |
|
Год |
0,85 |
25,500 |
11,1 |
993,24 |
19,606 |
4,901 |
8,3 |
100 |
80,8 |
4120 |
Факторы, влияющие на состав, параметры и режим работы ГЭК:
1. Параметры объекта исследования, их географическое месторасположение и климатические условия.
2. Метеорологические факторы, которые связаны с параметрами ВИЭ.
3. Технические и технологические особенности энергоустановок.
Обобщенные результаты расчетов предполагаемой выработки электроэнергии ГЭК представлены в табл. 3.
Энергоснабжение изолированных территорий требует решения важной социальной, экономической и экологической задачи – снижения себестоимости электроэнергии за счет использования надежных и экологически чистых источников генерации наряду с обеспечением бесперебойного энергоснабжения потребителей.
Зарубежный опыт показывает, что экономия органического топлива может достигать до 70 % в среднем, а при благоприятных условиях становится возможным полное замещение органического топлива. Компания ЗМА из Германии, являющаяся мировым лидером в области разработки и производства оборудования для децентрализованного и автономного энергоснабжения, успешно протестировала гибридные автономные микросистемы совместно с институтом ЕТ (г. Кассель) в различных климатических условиях Китая, Австралии, Африки, Америки, Европы и России. Это подтверждает возможность применения таких систем в разных регионах мира. Возобновляемая энергетика имеет большой потенциал для решения проблемы энергообеспечения децентрализованных районов России [7, с. 53–63].
Таким образом, возобновляемая энергетика способна внести значительный вклад в решение важнейшей проблемы энергообеспечения децентрализованных районов России, на долю которых приходится до 70 % территории страны с населением до 20 млн чел. [8, с. 26–29].
Заключение
− Снижение себестоимости электрической энергии в изолированных районах с дизельной генерацией и сокращение КИУМ ДГУ.
− Увеличение генерируемых мощностей и вырабатываемой электроэнергии в энергосистеме республики и региона, что приведет к повышению надежности электроснабжения потребителей.
− Снижение затрат на покупку электрической энергии из централизованной сети за счет производства и реализации электроэнергии.
Исходя из вышеописанного, можно сделать вывод о том, что реализация ГЭК в составе с МГЭС имеет как экономические положительные аспекты, так и социальные.
Для снятия проблемы повышенной «непредсказуемости» и обеспечения гибкости в энергосистеме в будущем возможно использование СНЭ на основе водорода. На данный момент это направление малоизучено, что вызывает его дороговизну. Реализуя дополнительно в данный комплекс СНЭ, будет возможность регулирования графика нагрузки коммунальных потребителей, а также графика выдачи мощности с установок генерации на ВИЭ.