Переход от гибридных энергоустановок к автономным гибридным энергосистемам (АГЭС) позволит сделать энергоснабжение изолированных территорий более эффективным и гибким
Эффективное энергоснабжение на территориях, изолированных от централизованных энергосистем, остается до конца не решенной проблемой во всем мире. С обзором проблематики и стремительно формирующегося рынка remote microgrid можно познакомиться в нашей отдельной статье.
Отечественные возможности и подходы к решению этой проблемы обсуждались 25 января 2019 года на сессии «Микрогрид: приоритетные проекты и полигон физико-технического инжиниринга», организованной Инфраструктурным центром EnergyNet и Институтом арктических технологий МФТИ. На сессии большое внимание было уделено решениям, позволяющим создавать автономные гибридные энергетические системы (АГЭС) с возможностью масштабирования по принципу plug&play, и построению инфраструктуры для разработки, тестирования и инжиниринга этих решений в России.
От гибридных установок к автономным энергосистемам
До недавнего времени практически безальтернативным источником энергии на таких территориях было привозное нефтяное, в основном дизельное топливо для генераторов и котельных. Тем не менее, последние 20 лет стали активно создаваться решения, объединяющие маневренную и не зависящую от погодных условий дизельную генерацию с использованием ВИЭ, преимущество которых, наоборот, независимость от топлива. В России такие решения получили название автономных гибридных энергетических установок (АГЭУ), которые заменяют дизель-генераторы и обеспечивают повышение экономической эффективности энергоснабжения за счет снижения затрат на топливную составляющую.
Но даже у АГЭУ как средства энергоснабжения изолированных территорий есть три очень существенных недостатка. Во-первых, обеспечивая надежное энергоснабжение, гибридные энергоустановки не могут изменять свою конфигурацию, управлять соотношением выработки на основе различных источников энергии, входящих в их состав и потому не обладают необходимой гибкостью и ресурсом дальнейшего снижения стоимости энергоснабжения. Во-вторых, АГЭУ устанавливаются под прогнозируемое потребление мощности на территории и не обладают возможностью легкого масштабирования в соответствии с динамикой энергопотребления на территории. Наконец, АГЭУ обеспечивают энергоснабжение потребителей, которые не рассматриваются в качестве хоть сколько-то активных участников работы местной энергосистемы, и потому возможный вклад потребителей в повышение эффективности работы энергосистемы игнорируется и остается неиспользуемым.
Следующее слово в энергоснабжении изолированных территорий—переход от АГЭУ к автономным гибридным энергетическим системам (АГЭС), главная отличительная особенность которых в сравнении с АГЭУ—это наличие единого контура оптимального управления всеми входящими в такую энергосистему источниками энергии: дизельными, солнечными, ветровыми генераторами, микро-ГЭС, накопителями энергии и регулируемой нагрузкой на стороне потребителей. Цель такого управления—динамическая, адаптивно подстраивающаяся под природные и погодные условия, а также изменяющиеся нужды потребителей оптимизация их энергоснабжения по тем критериям, которые наиболее важны на этой территории: стоимости, автономности или экологичности. В отличие от АГЭУ автономная гибридная энергосистема представляет собой не просто сложный источник, но является полноценным microgrid—энергосистемой с возможностью работы в изолированном режиме.
Переход от АГЭУ к АГЭС сравним именно с переходом от электростанции к энергосистеме из многих электростанций: при сохранении заданной надежности электроснабжения в рамках энергосистемы можно решать задачу оптимального управления, тем или иным образом определяя наиболее выгодную динамически меняющуюся загрузку имеющихся мощностей. Понятно, что, управляя конфигурацией такого microgrid, включая в его состав новые источники энергии и источники гибкости, можно масштабировать энергосистему в зависимости от динамики спроса на энергию и мощность, наращивая разнообразие источников энергии, а не заменяя имеющийся источник на более мощный.
Гибридизация — путь к эффективности
Результаты моделирования, проведенные NREL на основе данных об изолированном поселении Уналаклит (штат Аляска) на берегу Берингова пролива [1], показывают, что переход от дизельной генерации к гибридной энергосистеме с распределенными источниками энергии разных типов обеспечивает снижение LCOE на 21% при достигаемой экономии топлива 54%.
Уналаклит, Аляска, США
В состав моделируемого microgrid входят дизельные генераторы на 720 кВт, несколько ВЭУ суммарно на 2500 кВт, СНЭ мощностью 27 кВт и емкостью 41 кВт∙ч, а также управляемая нагрузка в виде водонагревателей. Потребляемая мощность поселка составляет 522 кВт. В рамках АГЭС может быть достигнуто LCOE 0,43 $/кВт∙ч против 0,55 $/кВт∙ч у дизельной генерации. Эти результаты тем более интересы с учетом того, что природно-климатические условия аляскинского побережья Берингова пролива вполне сопоставимы с условиями Крайнего Севера и множества удаленных и изолированных территорий в России.
Рост эффективности энергоснабжения за счет дополнения дизельной генерации другими источниками энергии и объединении их всех в автономную энергосистему подтверждаются не только моделированием, но и опытом эксплуатации реальных объектов, в том числе в условиях сурового климата северных и южных приполярных регионов планеты [2].
Пожалуй, наиболее суровыми такие условия оказываются на австралийской полярной станции Mawson [3] на земле Мак-Робертсона в Восточной Антарктиде. Энергоснабжение станции обеспечивается дизельными генераторами совокупной мощностью 550 кВт и ветрогенераторами общей мощностью 600 кВт. Такое сочетание позволяет экономить на доставке топлива до $263 тыс. в год.
Станция Mawson, земля Мак-Робертсона, Антарктида
Самыми репрезентативными из примеров уже работающих АГЭС с точки зрения близости к условиям России можно считать microgrid на американском острове Кадьяк (штат Аляска) и британской заморской территории Фолклендских островах.
Гибридная энергосистема на острове Кадьяк [4] с немалой для изолированных территорий установленной мощностью 72 МВт создается с 2007 года и включает дизельную генерацию на 33 МВт, ветрогенераторы на 30 МВт, мини-ГЭС мощностью 9 МВт и накопители энергии двух типов— свинцово-кислотные АКБ мощностью 3 МВт и емкостью 2 МВт∙ч, а также маховиковые мощностью 1 МВт.
Остров Кадьяк, Аляска, США
Согласованная работа всех этих источников энергии обеспечивает LCOE 0,14 $/кВт∙ч и снижение расходов на электроснабжение на $4 млн. в год в сравнении с использованием дизелей. При этом доля дизельной генерации в годовой выработке составляет всего лишь 0,3%.
На Фолклендских островах [5] АГЭС в составе ВЭУ, дополняющих дизельные генераторы, строится с 2007 года. В настоящее время введены 2 МВт ветровых мощностей при имеющихся 6,6 МВт дизельгенераторов, что обеспечивает долю ВИЭ в выработке на уровне 33% и снижение стоимости электроэнергии для потребителей с 0,42 $/кВт∙ч до 0,30 $/кВт∙ч.
Фолклендские острова
Через Якутию в… Сингапур
Раскрыть аналогичный потенциал АГЭС для энергоснабжения удаленных и изолированных территорий нашей страны призван соответствующий комплексный пилотный проект EnergyNet. На данном этапе ведётся поиск площадок для пилотирования новых решений. По предварительным договоренностям пилотным регионом EnergyNet может стать Республика Якутия. Но не ограничиваясь этим.
Важную роль в реализации комплексного пилотного проекта должен сыграть Центр компетенций по проектированию microgrid, создаваемый на базе МФТИ. Он выступит в роли интегратора комплексного технического решения на основе технологических разработок партнёров-компаний EnergyNet и собственных разработок по технологиям интеграции.
Принципиальным вопросом с позиции НТИ для создания таких энергосистем будет принадлежать технологиям легкой и быстрой—вплоть до реализации принципа plug & play—интеграции различных источников энергии в АГЭС, как на стадии строительства, так и потом при модернизации и масштабировании энергосистемы. Именно в вопросах интеграции в настоящее время основной технологический барьер для масштабного развития remote microgrid. Российским компаниям, участникам EnergyNet, имеет смысл обратить внимание на этот вызов. Направленность работ Инфраструктурного центра EnergyNet, создающего архитектуру энергосистем нового поколения—IDEA, создаваемого в МФТИ полигона физико-технического инжиниринга microgrid, а также некоторых участников сессии, подтвердивших заинтересованность в партнёрстве, позволяет рассчитывать на получение в ближайшие 1–2 года новых решений по интеграции автономных гибридных энергосистем. Более того планируется, что в 2019—2020 гг. проектный консорциум, формируемый МФТИ, в рамках сингапурского проекта REIDS создаст и продемонстрирует российские решения по созданию microgrid для решения проблем энергоснабжения множества островов Юго-Восточной Азии.
Ближайший шаг—рабочая группа EnergyNet представит в первом квартале 2019 года руководству Минэнерго России свои предложения по АГЭС для учета их в разрабатываемых программах по модернизации и развитии энергосистем труднодоступных территорий.
Рекомендуем обратить особое внимание на презентации Института арктических технологий МФТИ, раскрывающие предложения по реализации комплексного пилотного проекта EnergyNet на удаленных и изолированных территориях.
Подготовлено Инфраструктурным центром EnergyNet
Авторы: Игорь Чаусов, Владимир Сидорович, Дмитрий Холкин
[1] https://ieeexplore.ieee.org/document/7314334
[3] http://www.antarctica.gov.au/living-and-working/stations/mawson