Развитие энергосистем
Электроэнергетические системы, архитектура и основы функционирования которых сложились в прошлом столетии, находятся на пороге масштабной трансформации. В ряде регионов и стран серьезные изменения уже начались.
В России преобразование традиционного энергетического уклада пока не стало первоочередной задачей, но отслеживать и анализировать общемировые тенденции необходимо, чтобы принимать взвешенные стратегические решения относительно развития ТЭК, считает Александр Валерьевич Могиленко.
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
Взгляд на возможные перспективы
 |
Александр Могиленко, к.т.н., начальник отдела общесистемных вопросов АО «СИБЭКО»,
г. Новосибирск |
ТРАНСФОРМАЦИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Следует отметить три основных фактора, обуславливающих необходимость изменений (список не исчерпывающий, но данные факторы играют основную роль).
Интенсивное развитие возобновляемой энергетики в мире
За последние 15 лет мощность ветроэнергетических установок (ВЭУ), подключенных к электрическим сетям, возросла в 18 раз и превысила 432 тыс. МВт. Интенсивными темпами развивается солнечная энергетика (от близкого к нулевому значения в начале тысячелетия до 229 тыс. МВт в конце 2015 г.). По данным Международного энергетического агентства (МЭА), в 2015 г. в мире ежедневно устанавливалось по 500 тыс. солнечных панелей.
Инвестиции в возобновляемую энергетику в 2015 г. вышли на рекордный уровень и достигли $286 млрд.
Основными центрами развития возобновляемых источников стали страны Европейского союза, США, Китай, Индия и Япония. При этом основой развития возобновляемой энергетики во всех этих странах является последовательная государственная поддержка, а главными стимулами в большинстве случаев послужили снижение зависимости от импорта ископаемого топлива и уменьшение выбросов парниковых газов в атмосферу. Китаю и Индии развитие ветряной и солнечной энергетики помогает покрывать растущие потребности в энергоснабжении расширяющегося промышленного производства.
Как следствие, структура генерирующих мощностей Евросоюза за указанный период (2000–2015 гг.) претерпела серьезные изменения (рис. 1). Наибольший рост произошел в возобновляемом секторе электроэнергетики.
Рис. 1. Изменение структуры генерирующих мощностей в странах Евросоюза, тыс. МВт
Не удивительно, что бурное развитие возобновляемой энергетики привело к росту соответствующего рынка труда. По данным международного агентства возобновляемой энергетики (IRENA), в 2015 году занятость в отрасли превысила 8,1 млн человек. Наибольшие доли приходятся на солнечную энергетику (46%), биоэнергетику (35%) и ветроэнергетику (13%). При этом почти 44% занятых трудятся в Китае.
Децентрализация
В традиционных энергосистемах производство электроэнергии осуществляется относительно небольшим количеством крупных источников (тепловые, атомные и гидростанции), от которых энергия передается и распределяется по сетям большому количеству потребителей.
При развитии возобновляемой энергетики количество генерирующих источников возрастает в геометрической прогрессии. Например, в странах Западной и Южной Европы миллионы индивидуальных жилых домов, на которых установлены фотоэлектрические панели, являются как генераторами (в дневное время при отсутствии облачности), так и потребителями электроэнергии (в периоды пикового потребления, в ночное время при отсутствии аккумуляторов, при неблагоприятных погодных условиях и т. д.).
Кроме того, всё больше появляется локальных энергетических источников (в том числе с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии), работающих на ископаемом топливе. Данная тенденция характерна и для России (собственные установки на промышленных объектах, в строящихся крупных жилых массивах и др.).
Основные достоинства традиционных и децентрализованных систем известны и перечислены на рис. 2. Можно отметить, что положительные стороны одних являются отрицательными чертами других. При этом общие требования, которым должны удовлетворять обе структуры, останутся неизменными: надежность и эффективность.
Рис. 2. Основные достоинства традиционных и децентрализованных энергосистем
В настоящее время надежность функционирования – краеугольная проблема децентрализованных систем. При наличии большого количества локальных возобновляемых источников, выработка которых зависит от погодных условий и зачастую сложно прогнозируется, присутствие крупных тепловых электростанций в целях резервирования является насущной необходимостью. Ведь на работу, например, солнечных панелей влияют не только периодические процессы смены дня и ночи, наличие или отсутствие облаков, но и такие явления, как солнечное затмение [1].
Случившееся 20 марта 2015 г. частичное солнечное затмение стало серьезной проверкой для электроэнергетической системы стран Евросоюза. Системный оператор ENTSO-E, а также компании-эксплуатанты, провели комплекс превентивных мероприятий, среди которых:
- обеспечение дополнительных мощностей для покрытия потребления в рассматриваемый период;
- обеспечение максимальной выдачи мощности от скандинавской энергосистемы в сторону энергосистемы континентальной Европы;
- перенос всех планировавшихся на 20 марта ремонтных работ в электрических сетях затрагиваемых стран на более поздний период;
- предварительное отключение от сети 25% мощности (около 4,9 тыс. МВт) фотоэлектрических батарей в Италии;
- постоянный телефонный контакт компетентных специалистов задействованных компаний в режиме реального времени.
Фактическое снижение вырабатываемой солнечными электростанциями мощности 20 марта 2015 года в период с 9:25 до 10:45 составило 15 тыс. МВт, в том числе 7 тыс. МВт в Германии и 2 тыс. МВт в Италии (если бы не указанное выше мероприятие, то снижение было бы существеннее).
Поэтому не вызывает сомнения тот факт, что необходимость резервирования распределенных погодозависимых источников топливными электростанциями сохранится как минимум до внедрения технологий длительного аккумулирования энергии.
Изменение структуры и характера потребления
К данному фактору относятся разные тенденции последних лет. Так, интенсивное развитие информационных технологий приводит к тому, что всё больше электроэнергии требуется для надежного электроснабжения центров обработки данных.
Постепенный рост продаж электромобилей, заряжаемых от электрических сетей, также всё более заметен. На начало 2016 года в десятке стран-лидеров по количеству электромобилей эксплуатируется 1228 тыс. транспортных средств (с учетом гибридных). Лидером являются Соединенные Штаты Америки (406 тыс.), за которыми следует Китай (307 тыс.). При этом в 2015 году в десятке лидирующих стран, включающей также Японию, Канаду, Норвегию и 5 стран Евросоюза, продана 521 тыс. электромобилей, то есть 42% от общего парка [2].
Безусловно, масштабность влияния данных причин на электроэнергетические системы в ближайшие годы является вопросом дискуссионным.
Особенно много дебатов вызывают перспективы возобновляемой энергетики. Анализируя прогнозы различных экспертов, можно встретить полярные точки зрения. Так, известный футуролог Рэй Курцвейл (технический директор Google и изобретатель) полагает, что к 2028 г. возобновляемая энергетика станет одной из ключевых технологий для развития всех остальных. Солнечные батареи станут настолько эффективными, что их хватит на покрытие большей части энергетических затрат.
По данным исследования Delphi-Studie (Германия), к 2040 г. ожидается «полностью электрическое общество», в котором возобновляемые источники будут покрывать потребности также и по тепловой энергии, нужды транспорта, заменят газ и нефть в промышленных процессах.
Ведущие мировые энергетические концерны, судя по их действиям в части слияний и поглощений, не сомневаются в перспективах ветроэнергетики. Так, датский основоположник современной ветроэнергетики, компания Bonus уже более пятнадцати лет является частью немецкой компании Siemens. Этот же концерн поглощает и ветроэнергетическое подразделение испанской фирмы Gamesa.
Один из мировых лидеров по установленной мощности ВЭУ, датская компания Vestas создала совместное предприятие с японской компанией Mitsubishi Heavy Industries для разработки офшорных (прибрежных) ветроустановок.
Мировой промышленный гигант General Electric (США), выпускающий ВЭУ и собственной конструкции, при недавней покупке энергетического сегмента компании Alstom не забыл и о соответствующем подразделении французского производителя. Южнокорейские машиностроители Hyundai и Samsung Heavy Industries развивают производство собственных моделей ВЭУ. Примеры можно продолжать.
В то же время почетный профессор University of Manitoba (Канада) Вацлав Смил (входит в первую сотню влиятельных мыслителей по рейтингу Foreign Policy) оценивает перспективы возобновляемой энергетики гораздо скромнее, хотя и подчеркивает ее важную роль в обеспечении энергетических потребностей в будущем.
Излишнего оптимизма не проявляет Смил и в отношении электромобилизации. Но руководители ведущих мировых автомобильных концернов думают иначе. Электрические автомобили уже серийно выпускают или готовят к выводу на рынок большинство крупнейших автопроизводителей. Американская компания Tesla Motors расширяет модельный ряд. Тем более что спрос, очевидно, будет расти, ведь о поддержке электромобилей говорят всё больше (особенно после скандала с занижением выбросов дизельных автомобилей концерна Volkswagen).
Например, мэр итальянского города Флоренция Дарио Нарделла в интервью газете «Ведомости» подчеркнул, что в городе уже открыли 187 новых станций зарядки для электромобилей, то есть по одной точке зарядки на 1000 жителей. А к 2020 г., согласно планам градоначальника, все флорентийские такси и автомобили будут гибридными или электрическими.
Московский аэропорт «Внуково-3» стал первым российским аэропортом, поддержавшим проект столичных энергетиков по развитию зарядной инфраструктуры для электромобилей «МОЭСК-EV». ПАО «Россети» планирует начать развертывание зарядной инфраструктуры на всей территории России до 2020 г.
Несомненным является факт начавшихся изменений энергосистем под влиянием перечисленных выше причин. И эти изменения имеют особенности, которые следует рассмотреть подробнее.
ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЙ
Переход от базирующегося на спросе производства к ориентированному на предложение потреблению
Частичная децентрализация вкупе с либерализацией рынков приводит к усилению тенденции ценозависимого потребления. Все чаще в этой связи говорят о концепции управления спросом (Demand Response), позволяющей снижать потребление за счет использования локальных источников энергоснабжения, а также регулирования интенсивности и периодичности работы отдельных потребляющих электроэнергию устройств во времени.
По данным АО «СО ЕЭС», объем мощности Demand Response в мире в 2016 году составил 39 тыс. МВт, из них крупнейшим потребителем является Северная Америка (28 тыс. МВт). К 2025 году прогнозируется увеличение общего объема ценозависимого потребления до 144 тыс. МВт.
Указанная технология законодательно введена и в нашей стране Постановлением Правительства РФ № 699 от 20.07.2016. На текущий момент внедрять механизм ценозависимого потребления, который был включен в процедуры на конкурентном отборе мощности на 2020 год, захотела единственная компания – «Русал Новокузнецк».
Интеллектуализация и цифровизация
Для объединения в единую систему большого количества источников и потребителей электрической энергии, генерация и потребление которых подвержены существенным изменениям даже на малых временных промежутках, необходима интеллектуализация электрических сетей. Данный процесс получил наименование «умные, интеллектуальные сети» (smart grid), ставшее уже практически нарицательным. В широком смысле «вселенная» интеллектуальных сетей охватывает практически все современные и перспективные технологии передачи и распределения, накопления, учета и потребления электрической энергии, а также обмена данными и обеспечения кибербезопасности (рис. 3).
Рис. 3. «Вселенная» интеллектуальных электросетей (smart grid)
Упомянутое выше ценозависимое потребление невозможно осуществлять без интеллектуализации учета (smart metering). Проектов по организации таких систем насчитывается уже довольно много не только за рубежом, но и в России [3, 4]. В 2009 году Евросоюз установил для стран-членов обязательство по оснащению до 2020 года не менее 80 процентов потребителей электроэнергии интеллектуальными приборами учета.
Следует отметить, что массовое внедрение современных интеллектуальных приборов учета открывает новые возможности, решает одни проблемы, но приводит к появлению других. Киберразведка 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. Поэтому обеспечение кибербезопасности становится важнейшей задачей, которую необходимо решать при растущей интеллектуализации энергосистем. Тем более что «умными» становятся не только электрические сети и системы учета электроэнергии, но и дома потребителей (smart home), а также целые города (smart city).
По прогнозам экспертов, количество «умных» домов за 5 лет (с 2015 по 2020 гг.) возрастет в США с 4,6 до 24,5 млн, в Японии с 0,4 до 3,3 млн, а в Германии с 0,3 до 2,4 млн. Стремительный рост ожидается и в Китае – до 2 млн домов. Около двух десятков городов в разных странах (Китай, Япония, Южная Корея, государства Евросоюза, ОАЭ и др.) уже приступили к реализации проектов smart sity, предполагающих создание систем управления инженерными коммуникациями с учетом рассматриваемых тенденций.
Следует отметить, что интеллектуализация происходит также в промышленном производстве. Мир находится на начальном этапе так называемой четвертой промышленной революции, заключающейся в переходе от традиционного производства с различной степенью автоматизации к интеллектуальным производственным объектам (киберфизическим системам, cyber-physical systems) с собственным локальным управлением, объединенным посредством сети интернет (интернет данных, интернет вещей и интернет услуг).
Уже сейчас строятся полностью автоматизированные фабрики. Например, гендиректор компании Аdidas Group Герберт Хайнер рассказал о строительстве автоматизированных фабрик по выпуску обуви (а в будущем и одежды) Speedfactory. Первый проект реализуется в Германии, рассматривается вопрос по строительству фабрики в России.
Известный ученый Джереми Рифкин считает, что в настоящее время происходит объединение трех интернетов: наряду с коммуникационным и энергетическим здесь еще и транспортный интернет, управляемый при помощи спутников. И эта сеть (трех интернетов) имеет сенсоры в экономике, в каждой машине, в каждом устройстве и в каждом человеке. Уже сегодня 14 млрд сенсоров установлено на фабриках и дорогах, в логистических центрах и в магазинах, в домах и в автомобилях.
Данный фактор будет оказывать всё более сильное влияние на электроэнергетические системы (третья причина трансформации – изменение структуры и характера потребления).
Внедрение современных технологий и перспективных разработок
Сети постоянного тока
Для передачи электроэнергии от новых источников к центрам нагрузок и для повышения устойчивости сетей всё шире используются сети постоянного тока высокого напряжения (HVDC). Многие прибрежные (офшорные) ветропарки, построенные в последние годы в Северном море, подключены к материковым сетям при помощи кабельных линий постоянного тока.
В Китае в 2012 г., после 17 лет строительства, введена в работу крупнейшая в мире ГЭС «Три ущелья» (Three Gorges Dam, TGD) мощностью 22,5 тыс. МВт. Передача вырабатываемой TGD электрической энергии к центрам потребления в Восточном и Центральном Китае осуществляется при помощи воздушных линий постоянного тока высокого напряжения.
Тема развития сетей постоянного тока всё чаще начинает рассматриваться и применительно к сетям низкого и среднего напряжения, ведь до 80% потребления бытовыми устройствами европейских домашних хозяйств осуществляется на постоянном токе с потерями электроэнергии в преобразователях. Кроме того, фотоэлектрические панели вырабатывают постоянный ток, на нем же функционируют и аккумуляторы, запасающие энергию в периоды превышения выработки панелей над потреблением.
Исследователи из технического университета г. Брауншвейга (Германия) разрабатывают концепцию электроснабжения жилых и офисных зданий на постоянном токе для исключения лишней преобразовательной электроники и соответствующего уменьшения потерь электроэнергии.
В конце 2015 г. в немецком городе Фрайбург началось строительство жилого здания с офисными помещениями в рамках реализации проекта Smart-Green-Tower. Здание высотой 51 метр будет оснащено интегрированными в фасад солнечными панелями мощностью 400 кВт, а также литий-ионными аккумуляторными батареями.
В немецком Эрлангене Fraunhofer-Institut fьr Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) и компания Bachmann Systems используют сеть постоянного тока для электроснабжения центра обработки данных (ЦОД) и освещения четырехэтажного здания.
Сверхпроводящие линии
В последние годы началось промышленное внедрение сверхпроводящих кабельных линий (высокотемпературная сверхпроводимость, ВТСП). 600-метровый подземный кабель напряжением 138 кВ проложен в Нью-Йорке (Long Island Power Authority, LIPA). Он изготовлен из висмута, находится в герметичной оболочке и охлаждается жидким азотом.
В немецком городе Эссен осенью 2013 г. введена в эксплуатацию кабельная линия производства компании Nexans протяженностью 1 км на напряжение 10 кВ.
Компании Tokyo Electric Power Co. и Sumitomo Electric Industries Ltd. прорабатывают решения по созданию сверхпроводящих кабельных линий в Японии.
Консорциум компаний KEPCO, KEPRI, KERI и LS Cable & System осуществляет пилотный проект по применению сверхпроводящего кабеля в Южной Корее. После успешного тестирования кабельной линии напряжением 80 кВ (передаваемая мощность 500 МВт) на экспериментальной площадке KEPCO, в июне 2014 года в южнокорейском городе Jeju введена в работу линия протяженностью 0,5 км.
В России также разрабатывается проект по строительству линии ВТСП в Санкт-Петербурге.
По прогнозам профильного объединения (Industrieverbandes Supraleitunge. V.), к 2020 году ежегодное производство сверхпроводящих кабелей должно возрасти до 25 тыс. км.
Аккумулирование. Мультиресурсные системы
Одной из важнейших задач при интеграции возобновляемых источников в электроэнергетическую систему является аккумулирование электроэнергии.
Среди возможных способов длительного аккумулирования энергии наиболее перспективным, по мнению многих специалистов, является технология Power-to-Gas. Смысл заключается в преобразовании избыточной электрической энергии посредством электролиза в водород. Далее водород может накапливаться и использоваться самостоятельно (например, для заправки работающего на водороде транспорта) либо в небольшой доле подмешиваться в сети газоснабжения. Помимо этого, может осуществляться дальнейшее преобразование водорода с целью получения и использования синтетического метана.
Исследования по использованию водорода для привода транспортных средств при помощи топливных элементов проводятся во многих странах. Компания Alstom недавно выпустила опытный поезд на топливных элементах, а многие автопроизводители экспериментируют с аналогичными автомобилями.
В Европе в настоящее время проводятся десятки пилотных проектов по реализации концепции Power-to-Gas. С учетом наличия развитой газотранспортной сети и большого количества газовых хранилищ, перспективы развития концепции Power-to-Gas представляются весьма реалистичными. Особенно с учетом дальнейшего развития данной концепции – энергетического хаба, объединяющего различные энергоносители (также используются понятия мультиресурсных систем энергоснабжения, мультимодальных энергосистем) [5].
Один из примеров внедрения концепции энергетического хаба – проект швейцарской компании Regio Energie Solothurn (RES). Предприятие снабжает клиентов электрической энергией, газом (22 общины), водой, а также осуществляет централизованное теплоснабжение.
Энергетический хаб позволяет аккумулировать энергию и преобразовывать ее в различные виды: газ, электричество, водород и тепловую энергию. Единая система управления объединяет интеллектуальный учет и элементы умных сетей, координирует работу локальных энергоисточников (мусоросжигающая установка, газовая мини-ТЭЦ, фотоэлектрические панели).
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Повышение энергетической эффективности на всех уровнях (производство, передача, распределение и потребление) будет неотъемлемой частью процессов трансформации энергосистем.
Если говорить об энергосбережении при потреблении, важно отметить, что в большинстве случаев фактический эффект не совпадает с ожидаемым. Причиной является так называемый эффект отскока (Rebound-Effect), т. е. увеличение потребления энергоресурса при повышении эффективности устройств и приборов вследствие роста их количества или изменения отношения потребителей к их использованию [6]. При комплексном подходе к планированию и прогнозированию выработки и потребления электрической энергии данный эффект обязательно надо оценивать и учитывать. Например, он наблюдался во всех исследованных случаях массовой замены устройств искусственного освещения на более эффективные. В нашей стране после выхода в 2009 году Закона об энергосбережении № 261-ФЗ также происходит массовый переход от ламп накаливания к энергосберегающим и светодиодным лампам.
Следует также отметить появление в последние годы новых инструментов энергосбережения. К таким инструментам относятся получившие распространение в Европе сети повышения энергоэффективности (Learning Energy Efficiency Networks, LEEN). Целями создания сетевых объединений являются снижение потребления энергоресурсов и уменьшение выбросов парниковых газов [7]. Предприятия объединяются в сети по отраслевому, региональному либо смешанному признаку, после чего в течение нескольких лет проводят мероприятия по энергосбережению и повышению энергетической эффективности, обмениваются опытом, анализируют результаты. Итоги деятельности сетей демонстрируют, что в большинстве случаев принятые при создании объединений целевые показатели перевыполняются.
Еще одним интересным механизмом является организация рынка энергетической эффективности. Такой подход реализовывается в Швейцарии в рамках пилотного проекта в зоне обслуживания электроснабжающего предприятия г. Цюрих (Elektrizitдtswerkder Stadt Zьrich, EWZ).
Предприятия, подписавшие целевые соглашения (уже более 3 тыс.), могут продавать сэкономленную энергию в виде сертификатов на рынке энергоэффективности, что является дополнительным стимулом для проведения соответствующих мероприятий. В рамках проекта созданы и тестируются структуры и процессы рынка энергоэффективности, механизмы торговли сертификатами [8].
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
- Могиленко А.В. Тест для европейской энергосистемы // Энергетика и промышленность России. 2015. № 15–16.
- Могиленко А.В. Электромобилизация шагает по планете? // Энергетика и промышленность России. 2016. № 13–14.
- Могиленко А.В. Снижение потерь электроэнергии. Российские реалии // Новости ЭлектроТехники. 2015. № 2(92).
- Могиленко А.В. Мероприятия по снижению потерь электроэнергии, реализовываемые в разных странах // Энергоэксперт. 2015. № 5.
- Могиленко А.В., Павлюченко Д.А. Концепция энергетического хаба // Электро. 2015. № 2.
- Могиленко А.В. Эффект отскока (rebound effect) как ухудшение результата энергосберегающих мероприятий по сравнению с ожидаемым // Энергобезопасность и энергосбережение 2016. № 5.
- Могиленко А.В., Павлюченко Д.А. Опыт работы сетей повышения энергоэффективности в Германии // Энергобезопасность и энергосбережение. 2015. № 6.
- Могиленко А.В. Рынок энергоэффективности: швейцарский подход // Энергоэксперт, 2016. № 4.
|
