Энергосбережение

Международный опыт снижения потерь электроэнергии в электрических сетях свидетельствует о том, что в разных странах подходы к решению этой проблемы имеют много общего. Безусловно, на коммерческие потери (в зарубежных публикациях их чаще называют нетехническими) существенно влияет степень развития экономики в целом и уровень благосостояния населения в частности. При этом даже для стран-лидеров мировой экономики хищения электроэнергии – актуальная проблема.
О том, как за рубежом ведется борьба с коммерческими и техническими потерями электроэнергии, рассказывает Александр Валерьевич Могиленко.

Александр Могиленко к.т.н., главный эксперт по потерям ОАО «СИБЭКО», г. Новосибирск

СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Опыт разных стран

Хищения электроэнергии

В Берлине хищения электроэнергии имеют давние традиции [1]. В 2003 г. энергокомпания Bewag усилила борьбу с ними. Из 2100 сообщений о предполагаемых хищениях было подтверждено 1700 случаев. Так, один предприниматель, получив непривычно большой счет за электроэнергию, обнаружил на своей территории кабель, который вел от цеха к участку соседа. Компании стал также известен мужчина, в течение нескольких лет около 20 раз попадавшийся на хищении электроэнергии.

В Швейцарии, входящей в тройку стран с высочайшим уровнем жизни, тоже есть подобные случаи [2]. Например, в 2007 г. собственник бокса, расположенного в подземном гараже многоквартирного дома, незаконно подключил электрическую печь в своем жилом помещении от гаража. Ущерб составил 4200 франков. Несмотря на низкий официальный доход преступника, суд учел наличие у него ценных бумаг на 1 млн франков и двух сдаваемых в аренду жилых помещений.

В штате Техас (США) хищения электроэнергии, по оценкам экспертов, составляют около 1% от общего потребления. В Хьюстоне были выявлены почти 10 тысяч абонентов, ворующих электроэнергию (преимущественно путем воздействия на приборы учета) и причинивших ущерб энергокомпании на сумму $14 млн. Например, жители одного из многоквартирных домов заплатили по $40 сотруднику обслуживающей компании, чтобы он настроил их приборы учета на пониженное потребление. В 2010 г. этот человек был признан виновным и приговорен к шести месяцам тюремного заключения. В целом по США ущерб от хищений оценивается в $6 млрд ежегодно.

В Канаде эта цифра гораздо меньше: $500 млн. Наиболее распространенная цель хищений – электроснабжение нелегальных плантаций марихуаны и конопли [3]. За последние 5 лет компания BC Hydro выявила 2600 случаев хищений электроэнергии, осуществляемых в т.ч. от линий 12 и 25 кВ с установкой собственных (!) трансформаторов. Компания создала горячую линию для приема сообщений о возможных хищениях и спецподразделение из бывших сотрудников правоохранительных органов.

Если проблема хищений электроэнергии злободневна для экономически благополучных стран, то для стран с низким уровнем благосостояния она стоит еще более остро. Так, в семи регионах Индии фактические потери электроэнергии в конце 1990-х гг. составляли от 30 до 50% от отпуска в сеть [4].

В Бразилии уровень нетехнических потерь электроэнергии в различных регионах составляет от 10 до 30% от отпуска в сеть. Ежегодный ущерб от хищений электроэнергии в этой стране оценивается в $4 млрд.

В Турции, по данным Turkish Electricity Distribution Company (TEDAS), в восточных провинциях фактические потери превысили 70%: Mardin – 79%, Sanliurfa – 76% и Sirnak – 71%.

Борьба с коммерческими потерями

Интеллектуальный учет

Одно из эффективнейших мероприятий по снижению нетехнических потерь – внедрение интеллектуального учета электроэнергии (так называемого Smart Metering).

Один из лидеров и первопроходцев в этой области – компания Enel, создавшая в 2000–2005 гг. систему автоматизированного учета электроэнергии Telegestore в Италии [5].

Система состоит из трех основных частей: дистанционной системы учета, системы управления абонентами и системы предоставления дополнительных услуг. Проект был начат в июне 2000 г. с разработки дистанционной системы учета.

В качестве коммуникационной среды для передачи информации была использована распределительная сеть низкого напряжения (PLC-технология), а также телекоммуникационная сеть общего пользования. В состав системы Telegestore входят счетчики электроэнергии, концентраторы, модемы, центральная система и операционный зал.

В процессе реализации данного проекта было заменено и установлено более 33 млн счетчиков; установлено 350 тыс. концентраторов; осуществлены инвестиции в сумме 2 млрд евро. В проекте участвовали более 15000 человек на 3 континентах; 650 региональных фирм по замене счетчиков; 5 предприятий, производящих приборы учета в Европе и Азии; более 50 поставщиков компонентов для счетчиков.

По оценке компании Enel, ежегодная экономия благодаря вводу в работу системы Telegestore составила 500 млн евро, срок окупаемости инвестиций – примерно 5 лет. Удалось взять под контроль более 3 миллионов неплательщиков, что привело к снижению потерь электроэнергии.

В настоящее время других систем подобного масштаба нет, хотя проекты в некоторых странах рассматриваются.

Интересная система дистанционного учета электроэнергии внедрена во втором по величине шведском городе Гётеборге с населением около полумиллиона человек [6]. Компания Göteborg Energi объединила 265 тысяч приборов учета в сеть при помощи 8 тысяч концентраторов. Для объединения концентраторов в систему учета Amir (производства корейской компании Nuri Telecom) используется связь GPRS или оптическое волокно, а для соединения приборов учета с концентраторами применен североамериканский стандарт беспроводной связи ZigBee.

Сеть ZigBee является самовосстанавливающейся и самонастраивающейся. Если сигнал не может обнаружить свой обычный маршрут, то он поступит на другие модули ZigBee, чтобы найти другой маршрут для связи. Каждый счетчик становится ретранслятором, и сеть будет тем сильнее, чем больше модулей ZigBee установлено. Одно из преимуществ ZigBee – это малая по-требляемая мощность. Концентраторы потребляют всего 3–4 Вт, т.е. ненамного больше счетчиков. Работающий от батареи модуль ZigBee имеет срок службы аккумулятора, превышающий 5 лет.

При реализации проекта установлены однофазные счетчики производства General Electric, а трехфазные – Aidon и Kamstrup. После ввода автоматизированной системы учета в эксплуатацию компания Göteborg Energi создала отдельную бизнес-единицу для оказания новых коммерческих услуг. Проект реализован в период 2007–2011 гг., ожидаемый срок окупаемости составляет около 15 лет.
В Германии системы автоматизированного учета с широким охватом абонентов еще не внедрены, но проведены исследования возможного эффекта от их создания. Годовая экономия в расчете на один прибор учета оценивается в диапазоне от 2,5 до 75 евро (в зависимости от годового потребления электроэнергии абонентом), в т.ч. за счет снижения хищений электроэнергии на 20%.

В Испании к 2016 г. планируется заменить 70% приборов учета на интеллектуальные, к 2018 г. – 100%. Летом 2014 г. контракт на поставку 1 млн счетчиков ежегодно для испанского концерна Iberdrola выиграла компания Avantha Group.

В Бразилии будет установлено 27 млн интеллектуальных приборов учета, из них 4,5 млн за 2014–2017 гг.

В США в июле 2014 г. количество интеллектуальных приборов учета достигло 50 млн. Они фиксируют потребление электроэнергии около 43% населения страны [7]. При этом еще шесть лет назад таких приборов учета было около 7 млн.

Следует отметить, что массовое внедрение современных интеллектуальных приборов учета решает одни проблемы, но приводит к появлению других. Кибер-разведка ФБР (США) в своем бюллетене отмечает рост случаев хакерского взлома таких систем учета с целью искажения данных о фактическом потреблении. Ущерб от таких атак оценивается в $400 млн ежегодно.

Кроме того, по данным ФБР, некоторые бывшие сотрудники заводов-изготовителей счетчиков, а также работники коммунальных компаний за плату от $300 до $1000 осуществляют перепрограммирование приборов учета в жилых домах и за $3000 – у юридических лиц. В интернете также ведется массовая торговля «оптическими преобразователями» и сильнодействующими магнитами.

Помимо применения систем автоматизированного учета и интеллектуальных счетчиков, для борьбы с нетехническими потерями электроэнергии применяются и другие способы.

Предоплата

В Германии, к примеру, может использоваться система предоплаты за электроэнергию. К счетчику подключено специальное считывающее устройство, а также отключающий аппарат. После внесения кредита в пункте оплаты энергоснабжающей компании (либо через интернет) потребитель получает специальную чиповую карту, которая помещается в считывающее устройство системы ENERLYTOR. По мере потребления энергии средства с карты списываются, то есть сумма уменьшается. Потребителю необходимо следить за остатком средств на карте. Если своевременно не пополнить счет, то после предупреждения отключающее устройство обесточит ввод.

Всё содержимое чиповых карт закодировано. Каждая система предоплаты имеет индивидуальный ключ. Пломбирование считывающего устройства, кодирование коммуникаций системных компонентов, а также протоколирование регулярного приема связи позволяет достичь высокой надежности работы системы.

Система предоплаты за электроэнергию PMS-400 применяется также швейцарской энергоснабжающей компанией BKW FMB Energie AG в г. Берне. Производитель системы – немецкая компания PMS Elektronik GmbH. Как и в системе ENERLYTOR, здесь тоже используются чиповые карты.

В большинстве стран бывшего СССР широко применяется вынос приборов учета у абонентов частного жилого сектора на фасады зданий или опоры линий электропередачи.

Мероприятия по выявлению и предотвращению хищений электроэнергии массово проводятся в странах с высоким уровнем потерь. Так, в Турции осуществляются рейды представителей электросетевых компаний с участием не только правоохранительных органов, но и средств массовой информации. В Индии компания North Delhi Power Limited практикует социальный аудит и сотрудничает с неправительственными организациями для разъяснения населению в трущобах опасностей, связанных с прямым подключением к неизолированным проводам линий электропередачи [4].

В завершение рассказа о борьбе с хищениями электроэнергии можно выделить и несколько странных с нашей точки зрения тенденций. Если большинству из нас кажется нормальным использовать электроэнергию на рабочем месте в личных целях, то в Германии все чаще из-за такого поведения работников обвиняют в воровстве электроэнергии. В качестве примера приводится случай, когда сотрудник на работе заряжал свой мобильный телефон. Его не уволили только потому, что ущерб, нанесенный предприятию, был очень мал (0,014 евроцентов).

Окружная администрация в немецком городе Гуммерсбахе существенно упростила для себя положение дел. Там нет вентиляторов на рабочих столах, нет частных кофеварок. Кто пришел на работу с разрядившимся аккумулятором мобильного телефона, не имеет возможности его зарядить, т.к. это запрещено. В первую очередь это сделано для экономии – возможный эффект оценивается в 15 тыс. евро в год. А в г. Вердоле работники платят определенную сумму за электроэнергию, потребляемую на рабочих местах в личных целях.

В некоторых странах потребление бытовыми устройствами электроэнергии в режиме ожидания также относится к потерям. Согласно швейцарским и германским исследованиям, основные источники этих потерь – кофе-машины, компьютеры и оргтехника. По расчетам Министерства окружающей среды, защиты природы и атомной безопасности Германии, отключение бытовой техники от сети в периоды ее неиспользования позволит снизить потребление электроэнергии домашними хозяйствами на 22 млрд кВт·ч в год. В Швейцарии потенциал экономии составляет около 250 млн кВт·ч.

Снижение технических потерь

Снижению технической составляющей потерь, обобщенно подразделяемой на нагрузочные (зависящие от нагрузки)
и условно-постоянные, в мире уделяется такое же серьезное внимание, как и борьбе с нетехническими потерями.

Трансформаторы

Условно-постоянные потери происходят преимущественно в силовых трансформаторах, замена и модернизация которых в настоящее время производится в существенных объемах.

С 1992 г. в США нормируются уровни эффективности распределительных трансформаторов. В 2007 г. Министерство энергетики США (U.S. Department of Energy, DOE) утвердило новые требования к эффективности распределительных трансформаторов, вступившие в силу с 01.01.2010.

В США более 50 млн распределительных трансформаторов (80% у энергокомпаний и 20% у потребителей). При анализе работы сетей региона Pacific Northwest (северо-западное тихоокеанское побережье США) было установлено, что потери в распределительных трансформаторах составляют более 30% от суммарных технических потерь, в то время как доля трансформаторов питающих ПС – всего 2%. Поэтому замена распределительных трансформаторов – это значительный резерв энергосбережения.

Siemens и АВВ развивают технологии производства трансформаторов с магнитопроводом из аморфного сплава, имеющих наиболее низкие потери холостого хода. АВВ использует для сердечника трансформаторов сплав железа, бора и кремния (Fe-B-Si). При резком (на 106 К в секунду) охлаждении расплавленного металла кристаллическая решетка не образуется [8]. Компания совершенствует технологии производства с 1980-х годов. И если в течение первых 20 лет выпускались только маслонаполненные трансформаторы, то теперь производятся и сухие. Снижение потерь холостого хода может достигать 70% по сравнению с трансформаторами, изготавливаемыми по традиционной технологии.

Провода

Прогресс заметен и в применении новых типов проводов для линий электропередачи [9]. Так, в Бразилии более года успешно работает первая в мире ВЛ, оснащенная алюминиевым проводом с сердечником из композитного углерода (Lo-Sag conductor производства компании Nexans). ВЛ 138 кВ соединяет подстанции SE Cascadura и SE Sao Jose, имеет существенно большую пропускную способность (до 70%) и меньшие потери.

В мире растет применение специальных композитных проводов марок ACCR, AAACZ, AACSZ, AERO-Z. Эти провода увеличивают пропускную способность линий и снижают потери. В проводах типа Z в качестве 1–2 наружных слоев взамен круглых использованы проволоки Z-образного профиля, что делает наружный слой практически идеально гладким. При этом значительно уменьшается коэффициент аэродинамического сопротивления и достигается более плотная компоновка. С одной стороны, при сравнении обычных проводов и провода типа Z равного эффективного сечения опоры ВЛ испытывают меньшие механические напряжения, что снижает риск выхода линии из строя при повышенных ветровых и гололедных нагрузках. С другой стороны, данная конструкция более компактна и позволяет увеличить эффективное сечение провода, а значит, снизить потери и повысить пропускную способность ВЛ.

Применение микролегированного медного провода (Micro-alloyed copper conductor, CAC) также позволяет увеличить пропускную способность линий и снизить потери.

Сверхпроводящие линии

Добиться кардинального снижения потерь при передаче электроэнергии позволяет явление сверхпроводимости, применение которого началось в последние годы.

После длительных экспериментов в лабораториях, такая линия электропередачи впервые реализована в 2009 г. в промышленном масштабе в Нью-Йорке. 600-метровый кабель, охлаждаемый жидким азотом, работает под напряжением 138 кВ. Кабель изготовлен из висмута и находится в герметичной оболочке. Его пропускная способность в три раза выше, чем у медного.

В 2013 г. в г. Эссене (Германия) проложен сверхпроводящий кабель 10 кВ, охлаждаемый жидким азотом. Этот кабель длиной 1 км в настоящее время является самым протяженным в мире. Он изготовлен компанией Nexans. Его пропускная способность примерно в 5 раз выше, чем у традиционного кабеля, поэтому такое решение рассматривается как альтернатива кабельной линии 110 кВ. Потерь и теплового излучения практически нет.

Эксплуатация кабеля начата осенью 2013 г. В 2014–2015 гг. предусмотрена тестовая эксплуатация, а в начале 2016 г. планируется проанализировать результаты работы линии и рассмотреть возможности расширения проекта.

По прогнозу Industrieverband Supraleitung, к 2020 г. выпуск сверхпроводящих кабелей должен вырасти до 25000 км в год.
Компании Tokyo Electric Power Co. и Sumitomo Electric Industries Ltd. прорабатывают решения по созданию сверхпроводящих кабельных линий в Японии.

Газоизолированные линии

Высокая пропускная способность и низкий уровень потерь дают возможность осуществлять прямое подключение газоизолированных линий (ГИЛ) к ВЛ, продолжая линию под землей. ГИЛ производства Siemens длиной 4 км была проложена в туннеле гидроаккумулирующей электростанции в немецком регионе Шварцвальд в 1975 г. Проверка после 30 лет эксплуатации показала, что все компоненты в отличном состоянии и система будет надежно работать еще многие годы. В 2010 г. была введена в работу ГИЛ длиной около 1 км в аэропорту Франкфурта-на-Майне (один из крупнейших хабов Европы).

Кабельные линии

Интересный проект был реализован в Мадриде [10], где часть ВЛ высокого и среднего напряжения переведена в кабельное исполнение. Одной из целей было снижение потерь электроэнергии в сетях. Проект осуществила компания Iberdrola. В рамках проекта построено 16 компактных ПС, проложено 180 км подземной кабельной сети 45, 66, 132 и 220 кВ, демонтировано 125 км ВЛ. Применены кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) и этиленпропиленового каучука твердого сорта (HEPR).

Постоянный ток

Следует выделить и развитие технологии передачи электроэнергии на постоянном токе при сверхвысоком напряжении (HVDC). Потери в системах HVDC включают потери в линии и потери в преобразователях переменного тока в постоянный. Потери в оконечных преобразователях составляют примерно 1,0–1,5% от передаваемой мощности. Поскольку реактивная мощность на постоянном токе не передается, то потери в линии меньше по сравнению с переменным током. Согласно исследованиям компании АВВ, практически во всех случаях при передаче одной и той же мощности на сверхдальние расстояния (более 500 км) общие потери при передаче постоянного тока меньше.

Китайская компания China Southern Power Grid в период 2010–2013 гг. построила линию постоянного тока, соединяющую группу ГЭС в провинции Юньнань с центрами нагрузок в провинции Гуандун. Линия протяженностью 1418 км работает на напряжении ±800 кВ и способна передавать 5000 МВт. Эффективность обеспечивается за счет сокращения потерь при передаче на 40% по сравнению с линией переменного тока аналогичной мощности.

В августе 2014 г. в Бразилии введена в работу самая длинная в мире линия HVDC, соединившая новую гидроэлектро-станцию на реке Мадейра с центром нагрузок на юго-востоке страны. Протяженность линии 2375 км, напряжение ±600 кВ, пропускная способность 7100 МВт. Потери в линии примерно на 50% меньше, чем у аналогичной ЛЭП переменного тока. Проект реализован консорциумом компаний ABB, испанской Abengoa Group и бразильской Abengoa Construção Brasil.

Smart Grid и возобновляемая энергетика

Нельзя не сказать о новом направлении в развитии электрических сетей, именуемом Smart Grid. Существует довольно много толкований этого ультрамодного ныне термина. Европейская комиссия трактует Smart Grid как электрические сети, которые могут экономически эффективно интегрировать процессы генерации и потребления электроэнергии, обеспечивая минимизацию потерь, высокий уровень качества, надежности и безопасности.

В последние годы вследствие широкого распространения возобновляемой энергетики традиционная модель функционирования электрических сетей в ряде стран и регионов изменилась. Если раньше электроэнергия, вырабатываемая несколькими крупными источниками, передавалась затем в центры нагрузок и распределялась потребителям, то теперь многие из потребителей в определенные периоды времени сами стали вырабатывать энергию и выдавать ее в общую сеть.

Немецкие специалисты провели исследование влияния распределенной генерации на потери в сетях в Северной Германии, где высока доля ветровой и фотоэлектрической генерации электроэнергии. В рассмотренном ими районе проживает 1,4 млн жителей; всего около 800 тыс. абонентов, подключенных к сетям низкого напряжения, и 3 тыс. абонентов, подключенных к сетям среднего напряжения (2/3 – сети 20 кВ и 1/3 – сети 10 кВ, более 80% в кабельном исполнении).

Исследователи пришли к выводу, что изменилось долевое распределение потерь по уровням напряжения (существенно возросла доля сетей низкого напряжения). Что касается суммарной величины потерь электроэнергии, то до определенного уровня распространения локальных генерирующих источников потери снижаются, после чего начинают расти и в конце концов превышают величину потерь для сетей без распределенной генерации. Конкретное соотношение зависит от рассматриваемого района (структура сетей, количество потребителей/генераторов и др.).

Вывод

В заключение следует отметить, что деятельность по снижению потерь электроэнергии при ее передаче и распределении должна носить системный характер и охватывать весь спектр целесообразных в конкретных условиях мероприятий, о чем свидетельствует и личный опыт автора. Только комплексный подход позволит обеспечить функционирование электрических сетей с максимально возможным уровнем эффективности.

Большую часть из рассмотренных в статье организационных мероприятий и технических решений следует применять и в нашей стране. Об этом – в одном из следующих номеров журнала.

Литература

1. In Berlin 1700 Stromdiebe überführt // Berliner Morgenpost. 15.08.2003.
2. Unrechtmassige Entziehung von Energie // Bulletin Electrosuisse, 5-2014.
3. Electricity theft by B.C. grow-ops costs $100M a year // CBC News, 08.10.2010.
4. Reducing Technical and Non-Technical Losses in the Power Sector. Background Paper for the World Bank Group Energy Sector Strategy. July 2009.
5. ANNEX 4 – CASE STUDY Smart Meters in Italy. REPORT on Experiences on the Regulatory Approaches to the Implementation of Smart Meters. Ref: I12-C&A-08-01. April 2012.
6. Sweden's ZigBee City // Transmission & Distribution World. August 2011.
7. Utility-Scale Smart Meter Deployments: Building Block of the Evolving Power Grid, Institute for Electric Innovation Report. September 2014.
8. Umweltschonende Stromverteilung. ABB Technik, 2-2012.
9. Microalloyed Copper Overhead Line Conductors // Powergrid International. August 2014.
10. Madrid: A Modern City with a Modern Grid // Transmission & Distribution World. April 2010.