Гибридные энергокомплексы
В ответ на растущие потребности XXI века энергосистемы развитых стран претерпевают трансформацию, бросая вызов традиционному подходу, подразумевающему масштабную генерацию электроэнергии вдали от потребителей в энергосистеме с централизованной структурой управления и минимальной обратной связью, с ограниченным применением накопителей энергии и пассивными энергопринимающими установками.
За последнее десятилетие подход к производству электроэнергии в США кардинально поменялся: увеличились объёмы газовой генерации, чаще стали применяться ВИЭ, а традиционные неэкологичные способы получения энергии теряют поддержку общественности и отраслевых регуляторов.
Другие тенденции, которые проявились уже сейчас и, как ожидается, будут набирать обороты в ближайшем будущем, включают широкое применение технологий хранения энергии и использование цифровых и новых коммуникационных средств в управлении энергосетями.
Новое явление
Одна из ключевых тенденций в развивающемся энергетическом секторе США - появление гибридных энергетических комплексов (ГЭК) не только в изолированных энергорайонах, но и в больших объединённых энергосистемах. В этой статье мы определяем ГЭК как системы, применяющие несколько разных технологий производства, хранения и/или преобразования энергии. При этом энергоустановки объединены вместе - через общую структуру управления либо физически. Такое объединение имеет несколько целей: снижение затрат, расширение функциональных возможностей, повышение эффективности или экологических характеристик по сравнению с альтернативными вариантами, основанными на одной технологии. То есть наше определение расширяет понятие ГЭК, традиционно принятое в отрасли. Если коротко, то ГЭК задействует сразу несколько технологий производства электроэнергии, которые по отдельности не так эффективны.
Гибридные энергокомплексы дают энергетикам возможность оптимизировать проекты с тем, чтобы расширить перечень услуг, предоставляемых потребителям энергии и системному оператору. Эти комплексы могут различаться по составу подсистем, по связям (например, локальные, физические и операционные) и по областям применения (для личного пользования или для бизнеса). ГЭК также может быть сконфигурирован для производства энергоносителей разных видов (скажем, электроэнергии и жидкого синтетического топлива). Если производится только электричество, то возможны комбинации разных технологий электрогенерации в сочетании с накопителями энергии. В некоторых случаях ГЭК может быть реализован на промышленном предприятии, где используется тепло или энергия других видов для выпуска какого-то продукта в больших масштабах (здесь можно рассматривать вариант применения электрической или тепловой энергии для производства водорода из воды либо метана).
Плюсы и минусы
Последние научные исследования, эксперименты и реальные примеры внедрения ГЭК показывают, что у ряда комбинаций производственных технологий преимуществ намного больше, чем недостатков. Выявлено также, что гибридизация может быть эффективной стратегией для получения чистой прибыли по сравнению с производством энергии, основанным на каком-то одном источнике. Разделяя затраты и инфраструктуру между разноплановыми технологическими установками, энергокомпании предлагают больше сетевых услуг (или столько же, но по более низкой цене), повышают надёжность, гибкость и отказоустойчивость своих систем. Помимо этого гибридизация помогает избежать денежных потерь в случае использования нестабильных возобновляемых ресурсов (в частности, уклоняясь от сборов за интеграцию ВИЭ в энергосистемы и сокращая объёмы сделок на дорогом балансирующем рынке) и обеспечить технические требования для предоставления различных услуг (например, требования к мощности генерации).
Бывает так, что системный оператор налагает ограничения на использование энергокомпаниями объектов возобновляемой генерации или запрещает применять их на рынке системных услуг. Гибридизация поможет обойти такие запреты. Случаются и ограничения на использование определенного электрооборудования потребителем. Претензии чаще всего возникают к накопителям. Возможность использовать накопители энергии не по отдельности, а в комплексе с другими ресурсами обычно позволяет разрешить и эту ситуацию.
Конечно же гибридизация имеет и недостатки. Для бизнеса она создаёт некоторые проблемы и неопределённости. Оптовые рынки электроэнергии, нормативная база электроэнергетической отрасли и государственная энергетическая политика были разработаны с расчётом на конкретные технологии генерации. Более того, системные операторы перераспределяют нагрузки между электростанциями для того, чтобы минимизировать общие затраты и поддерживать надёжную работу всей системы, и не ожидают, что генерирующие объекты предпочтут сами оптимизировать свои нагрузки. То есть гибридные энергокомплексы создают проблемы для централизованного управления энергосистемой и её планового развития. Кроме того, текущих данных, методов, сценариев и инструментов анализа - от планирования на уровне предприятия до расширения мощностей и экономических моделей энергетики регуляторами - недостаточно для представления затрат, оценки стоимости и степени воздействия ГЭК на действующую единую энергосистему. Чтобы оптимизировать структуру ГЭК, требуется также разработать специфические системы управления, датчики, средства телеметрии и другое оборудование, необходимое для скоординированной работы разноплановых подсистем.
Интеграция на местах
Некоторые преимущества, которые когда-то сыграли важную роль при построении централизованной энергетической системы, сегодня стали движущей силой для развития ГЭК - конечно же в локальном масштабе. Для бизнеса важно эффективнее использовать земли, энергосетевую, дорожную и другую инфраструктуру, объединяя несколько проектов в едином месте. При создании новых производств с помощью ГЭК можно задействовать уже имеющуюся инфраструктуру или хотя бы отложить на будущее инвестиции в её расширение.
В США принят федеральный инвестиционный налоговый вычет, позволяющий компенсировать до 30% капитальных затрат на накопители энергии, которые используются в сочетании с ВИЭ. Нормативы по экологически чистой генерации на уровне отдельных штатов, требования к инвесторам иметь в своём портфеле проекты по ВИЭ, льготы пользователям солнечных батарей и директивы энергорегуляторов по внедрению накопителей прямо или косвенно поощряют строительство ГЭК.
Промышленные аккумуляторы энергии, которые обычно предлагаются для проектов ГЭК, в последнее время значительно подешевели, отчего выросла конкурентоспособность как гибридных, так и традиционных систем электрогенерации. Накопители - это типовой компонент ГЭК. Они помогают запасать по каким-то причинам невостребованную энергию и снижать износ генераторов от частых циклических загрузок и разгрузок.
Немалую роль играют задержки в оформлении всевозможных разрешений на отвод земель и строительство энергосетей, а также длительные процедуры присоединения к ним. Этот фактор тоже стимулирует предприятия к гибридизации энергетического производства. В частности, существующие сегодня электростанции, обычно работающие не на полную мощность, дополняются теми или иными производственными участками, которые дозагружают имеющиеся электросети.
Гибкое производство
В некоторых гибридных энергокомплексах можно гибко перераспределять мощности между генерацией тепла и электроэнергии для выдачи последней в сеть по заданному графику, одновременно поддерживая производство других энергоносителей (водорода, аммиака или биодизеля) и воды. У владельцев подобных предприятий есть хорошие инструменты оптимизации производства, позволяющие получить большую отдачу от инвестиций, продлить срок службы существующего оборудования и правильно реагировать на волатильность цен и изменение перспектив для бизнеса.
Решения инвесторов о вложении капитала в новые производственные активы основаны на прогнозах будущего с учётом ряда изменчивых факторов. Любая технология, способная адаптироваться к непредвиденным изменениям ситуации, даёт возможности снизить инвестиционные риски. Один из инструментов адаптации - поэтапное расширение производства с помощью модульных установок по мере того, как будут отпадать факторы неопределённости. Другой инструмент - оперативная подстройка диспетчируемой мощности под потребности рынка. На практике возможно даже изменять перечни производимых товаров и предоставляемых услуг, чтобы соответствовать меняющимся рыночным условиям. Такая адаптивность не является уникальной особенностью ГЭК, но она усиливается объединением нескольких энергетических технологий и тем самым снижает инвестиционные риски.
Имея множество разноплановых подсистем генерации и хранения энергии, операторы гибридных энергетических комплексов могут повысить отказоустойчивость на производственном и системном уровнях. Им легче поддерживать бесперебойное питание в аварийной ситуации и восстанавливать энергоснабжение (пуск электростанции из полностью обесточенного состояния) после того, как авария ликвидирована.
ГЭК: типы и связи
Согласно уже приведённому определению ГЭК охватывает широкий спектр подкомпонентов генерации, хранения и преобразования энергии (см. рисунок). Объединять подкомпоненты в ГЭК можно посредством локальных и операционных связей. Первые определяются как размещение нескольких технологических участков в единой географической области, а вторые - как операционное соединение технологических установок через общую (или совместную) структуру управления и физические связи. Такие комплексы могут быть развёрнуты в крупных сетях (например, энергетического предприятия или виртуальной электростанции) либо в более скромных структурах (таких, как разветвлённая или однопользовательская микросеть), а также в автономных сетях.
Эксперты Департамента энергетики США подразделяют ГЭК по видам их конечных продуктов, выделяя две основные категории: ГЭК только для производства электроэнергии и многовекторные ГЭК.
Только электроэнергия
ГЭК, производящие только электричество, объединяют несколько технологий производства и хранения энергии, а единственный продукт их деятельности поставляется в сеть для обеспечения необходимых мощности и надёжности энергоснабжения, а также для оказания системных услуг. В США такие ГЭК активно строятся и всё чаще подают заявки на присоединение к сетям у региональных энергопередающих компаний.
Сегодня чисто электрические ГЭК составляют большую часть гибридных энергетических комплексов. Обычно они представляют собой солнечные фотоэлектрические станции, ветровые установки, гидрогенераторы или традиционные энергоблоки на ископаемых топливах в сочетании с аккумуляторами. Встречаются комплексы с двумя возобновляемыми источниками энергии и топливным генератором.
При обычном разделении ресурсов две или более энергетические установки локально связаны (например, имеют общую точку сетевого соединения), но работают в значительной степени независимо. Оператор таких ГЭК может принимать различные решения для того, чтобы увеличить доходность всей системы, но в отсутствие общих технологических компонентов и элементов управления его электростанции будут работать аналогично их полностью независимым аналогам.
Виртуальные электростанции включают два или более разноплановых энергоисточника, которые расположены по отдельности, но виртуально связаны посредством программной модели и системы управления. Вместо централизованной балансировки сети усилиями системного оператора на верхнем уровне виртуальные электростанции предполагают совместную оптимизацию мощностей нескольких энергоисточников на нижнем уровне. Связка компонентов операционно, а не физически помогает разноплановым энергоисточникам компенсировать недостатки и дополнять сильные стороны друг друга.
Характеристики ВИЭ-генераторов сильно зависят от их местоположения и погоды, недаром далеко не все солнечные и ветровые станции могут получить право на предоставление системных услуг. Однако виртуальная электростанция, в которой нестабильность переменчивых ВИЭ компенсируется топливной или гидрогенерацией, такое право получит. Ей также легче избежать штрафов за низкое качество интеграции в энергосистему и балансовые расхождения, которые могут быть наложены на отдельный ВИЭ-генератор.
И хотя виртуальная электростанция может быть подключена к сети как ряд мелких рассредоточенных компонентов, на оптовых рынках она выступает в качестве одной крупной гибридной электростанции.
Полностью интегрированный ГЭК состоит из нескольких технологических установок, которые связаны как физически, так и операционно. Оборудование конструктивно объединено в единый комплекс с получением синергетических эффектов. Синергия достигается за счёт совместного использования ключевых компонентов. Например, это может быть общий инвертор для фотоэлектрических панелей и аккумуляторной системы или общее оборудование для преобразования в электроэнергию тепла от солнечного концентратора и от горячего раствора из геотермальной скважины. Хороший синергетический эффект приносят накопители тепловой энергии, объединённые с парогазовыми установками.
В полностью интегрированном гибридном комплексе все компоненты подчинены единой схеме управления, поэтому весь комплекс (при правильной настройке) может работать более эффективно, чем сумма компонентов, и должен рассматриваться как единый ресурс для энергосети.
В случае подсоединения к распределительной сети полностью интегрированный ГЭК может принять форму микросети, охватывающей оборудование нескольких клиентов.
Мастера на все блоки
В многовекторных ГЭК тоже применяется несколько разноплановых технологий генерации, хранения и преобразования энергии, но производимая продукция помимо электричества включает по крайней мере один продукт иного порядка. Примерами могут послужить тепловая энергия, водород, аммиак, метанол, очищенная вода, различные материалы и жидкое синтетическое горючее.
Система управления ГЭК динамически распределяет тепловую и электрическую энергию для обеспечения поставок энергии и мощности в сеть, одновременно поддерживая производство других продуктов. Хотя многовекторные ГЭК находятся на более ранней стадии разработки, чем комплексы, вырабатывающие только электричество, потенциальные выгоды от их использования привлекают внимание экспертов из промышленности, правительства, научных кругов и национальных лабораторий Департамента энергетики.
Стоит отметить, что многие проекты ГЭК, предполагающие выработку только электричества, могут быть расширены до многовекторных (тут может быть достаточно добавить производство водорода посредством электролиза).
Потенциал для сокращения капитальных и операционных затрат в энергетическом производстве является важным конкурентным преимуществом гибридных энергокомплексов, поэтому нам следует ожидать их широкого распространения.
Подготовлено по отчёту Департамента энергетики США «Гибридные энергокомплексы: возможности всестороннего исследования».
