Автономные системы энергообеспечения с промежуточным накоплением энергии

А. В. Аккуратов, В. Л. Сысоев – ЗАО «Полистэлс»

Использование автономных систем энергоснабжения с промежуточным накопителем – это новый взгляд на энергетику как на сбалансированную систему. В ее основу заложен главный природный принцип – накопление энергии, позволяющее подводить к накопителю небольшие мощности, аккумулировать энергию и при необходимости обеспечить потребителя мощностями, значительно превышающими подводимые.

В условиях энергетической нестабильности гарантированное бесперебойное энергообеспечение приобретает особое значение. Существующие технические решения ориентируются главным образом на наличие единых энергосетей большой мощности и эксплуатацию оборудования в единой энергосистеме. В целом, это повышает надежность централизованного энергоснабжения, одновременно вынуждая применять жесткие меры по обеспечению устойчивости системы, вплоть до принудительного автоматического отключения отдельных потребителей в кризисных ситуациях.
В настоящее время более половины российской территории, прежде всего удаленные районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Восточной Сибири, где проживает около 20 % населения страны, не имеет централизованного электрои теплоснабжения. Кроме того, остается неэлектрофицированной значительная доля фермерских хозяйств, садоводческих участков, леспромхозов, а также местных производств в европейской части страны. Недостаточное энергоснабжение влечет за собой отток населения из таких районов и остановку производств. Для электрификации маломощных рассредоточенных объектов традиционными способами (как это было осуществлено на Аляске и в северной части Канады) на малонаселенной территории России потребуется вложений, согласно экспертной оценке, более чем на $350 млрд.
Восполнить отсутствие централизованного энергоснабжения, в том числе в отдаленных или экономически неразвитых районах, могут автономные энергетические установки малой мощности, использующие как традиционные источники энергии (привозное топливо), так и нетрадиционные, возобновляемые источники. Причем, установки на привозном топливе требуют относительно небольших капитальных затрат при высоких эксплуатационных издержках, а агрегаты на возобновляемых источниках (из-за малой плотности потоков энергии) – значительных капитальных затрат при низких эксплуатационных издержках и отсутствии топливной составляющей.
Применение автономных энергоустановок потребует, в первую очередь, увязки изменяющихся мощностей производства и потребления энергии; стабильного съема энергетических потоков малой плотности от возобновляемых источников в широком диапазоне ее напоров, скоростей и расходов; высококачественного преобразования полученной энергии под заданные характеристики электрических и тепловых нагрузок. Необходимо предусмотреть возможность подключения существующего энергооборудования традиционного типа, а также объединение различных видов оборудования в локальные сети с суммированием мощностей при общем значительном снижении затрат на их создание, обслуживание и эксплуатацию.
Энергообеспечение таких потребителей возможно при комбинированном использовании дизельных электростанций и низкопотенциальной энергии ветра, солнца, малых рек и т.д., а во многих случаях – только за счет последней. Основная топливная составляющая в себестоимости такой энергии либо очень мала, либо отсутствует. Таким образом, энергоустановки, использующие возобновляемые источники, более эффективны, чем дизельные (бензиновые) электростанции или подсоединение к централизованным энергосистемам (с учетом мощности потребителя и затрат на строительство линий электропередачи). Это обусловило создание автономных систем энергоснабжения на базе установок, работающих на возобновляемых источниках энергии. Их эффективность может быть достигнута только при комбинированном использовании энергоисточников в составе автономных систем с промежуточным накоплением энергии (АСЭ с ПНЭ).
Использование АСЭ с ПНЭ – новый взгляд на энергетику как на сбалансированную систему. В ее основу заложен главный природный принцип – накопление энергии, позволяющее подводить к накопителю небольшие мощности, аккумулировать энергию и при необходимости обеспечить потребителя мощностями, значительно превышающими подводимые. Применение этого принципа позволяет рационально использовать ресурсы и бережно относиться к окружающей среде.
В системах автономного энергоснабжения, в том числе и с низкопотенциальными источниками энергии, необходимо учитывать три основных фактора: мощность источника энергии, максимальную мощность потребления и время использования мощностей потребителем. Причем, мощности источников энергии далеко не всегда должны соответствовать максимальному энергопотреблению, так как, учитывая третий фактор, можно удовлетворить максимальные потребности в энергии при значительно меньших мощностях генерирующих источников.
В основу создания предлагаемых конкурентоспособных установок автономного энергоснабжения положен принцип системности. АСЭ объединяет комплекс генерирующего оборудования, энергосеть, средства оперативно-диспетчерского управления и нагрузки потребителя.
Для сравнительно небольших автономных систем ключевая проблема – увязка изменяющихся мощностей производства и потребления энергии – может решаться не за счет подключения специально создаваемого резерва генерирующего оборудования (по примеру большой энергетики), а за счет буферного промежуточного накопления полезной энергии на базовых (и ниже) режимах потребления, в достаточном для покрытия пиковых нагрузок количестве.
Кроме того, разделение генерирующего оборудования и потребителей переменного тока по частоте и фазе буферной вставкой накопителя, работающего на постоянном токе (с соответствующими преобразователями-инверторами на входе и выходе), обеспечивает устойчивость системы. При этом автоматически решаются задачи поддержания частоты и уровня выходного напряжения, регулирования активных и реактивных мощностей, исключения асинхронных режимов, а также обеспечение потребителя при необходимости постоянным током непосредственно от накопителя.
Техническая реализация концепции автономной системы энергообеспечения осуществляется на основе следующих положений:
1.    Анализ типовых графиков производства и потребления энергии для различных локальных источников показывает, как правило, превышение общего объема возможной выработки над потреблением при существенных колебаниях их мощности. При этом продолжительность режима пикового потребления значительно меньше режима поступления базовой мощности от источника и составляет от нескольких часов до нескольких суток.
Использование промежуточного накопителя, заряжающегося при снижении потребления энергии и отдающего ее при возрастании нагрузки, компенсирует несоответствие графиков производства и потребления энергии.
В отличие от применяемых в мировой практике источников бесперебойного питания, промежуточный накопитель совместно со специально разработанным блоком автоматического управления и защит позволяет регулировать работу турбоприводов в процессе зарядки и разрядки, а потребителю – использовать любой вид нагрузок на постоянном и переменном токе. Система без проблем примет активный/реактивный характер нагрузки, а также любое их сочетание.
2.    Для выработки электроэнергии с использованием низкопотенциальных источников в составе локальной системы может применяться экологически чистый, специально разработанный новый тип свободнопоточных ветрои гидроприводов, а также новая конструкция электрогенераторов. Созданные устройства, в отличие от применяемых сегодня в мире, стабильно работают в очень широком диапазоне нагрузок, скоростей потоков и расходов возобновляемых источников. Они унифицированы и высокотехнологичны, что позволяет легко трансформировать их под ветровые или водные нагрузки с независимым или комбинированным использованием. Монтаж таких устройств не требует серьезных подготовительных работ и больших финансовых затрат.
3.    Помимо специально разработанных ветро- и гидротурбогенераторов, для работы с АСЭ могут применяться и другие виды генерирующего оборудования. Солнечные батареи, слабые энергосети, дизельные электростанции, а также тягловая (животная) сила могут использоваться в качестве генерирующих источников, при этом их мощность в составе такой энергосистемы может быть на порядок меньше, чем пиковые нагрузки потребителя. Кроме того, к АСЭ могут подключаться микротурбины, малые ГЭС и ветроустановки, обычно требующие обязательной связи с большими энергосистемами. Подключение к энергосистеме существующих автономных установок, работающих на невозобновляемых источниках (уголь, нефть, газ), позволяет значительно повысить их эффективность при экономии привозного топлива, в том числе на модульных котельных – с обеспечением выработки не только тепла, но и электроэнергии. Разработаны схемы дооборудования котельных турбоустановками различного типа для выработки электроэнергии с использованием преимуществ АСЭ по поддержанию стабильных параметров теплои электроснабжения.
Важное место в энергообеспечении занимают тепловые электростанции, где топливо используется отдельно для преобразования потенциальной энергии в электрическую и тепловую. С большей эффективностью работают теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), вырабатывающие электрическую и тепловую энергию одновременно. Существенным недостатком в эксплуатации ТЭЦ является невозможность ее работы без централизованных электрических сетей, которые обеспечивают собственные технологические нужды и принимают для распределения выработанную электроэнергию. Для тепло- и электроснабжения потребителей, находящихся в регионах с отсутствующим централизованным энергообеспечением, можно использовать модульные ТЭЦ, работающие на местном топливе.
Котельные, вырабатывающие пар для отопления, дооборудуются паротурбогенератором, который в режиме дросселирования избыточного давления пара, поступающего из котла, вырабатывает электроэнергию и передает ее в АСЭ с ПНЭ. Пар после дросселирования достигает параметров, необходимых для режима теплофикации объектов потребителя. Паротурбогенератор работает в базовом режиме, что способствует поддержанию стабильных параметров теплои электроснабжения. В свою очередь, автономная система передает электроэнергию потребителю и обеспечивает собственные нужды модульной котельной, которая в этом случае уже выполняет функции ТЭЦ.
Котельные, вырабатывающие для отопления горячую воду, должны быть дооборудованы (кроме паротурбогенератора) еще и парогенератором, который обеспечит производство пара, необходимого для выработки паротурбогенератором электрической энергии и передачи ее в АСЭ. В дальнейшем пар используется в технологическом цикле подогрева воды в отопительной системе. Последующий режим работы абсолютно такой же, как и котельной, работающей на пару.
Одновременно такая развязка позволяет подключать различные типы оборудования, работающего на традиционных и нетрадиционных источниках, а также объединять разные виды установок в локальные сети с суммированием их мощностей. В частности, на этой основе можно создать автономную модульную ТЭЦ, которая объединит котельную и турбоустановку, использующую дросселируемый в РОУ (редукционно-охладительном устройстве) перепад на выработку мощности. Это существенно повышает надежность комбинированного тепло- и электроснабжения, а также обеспечивает экономию топлива. Высокий КПД таких ТЭЦ достигается благодаря высокоэффективной системе преобразования тепла. Модульная конструкция станции обеспечивает простое наращивание мощности, гибкое реагирование на изменение нагрузки и обладает, кроме того, высокой ремонтопригодностью.
4.    Модульная схема подключения АСЭ позволяет объединять потребителей в энергетический район с созданием локальных сетей. При этом суммарная мощность сети энергорайона во многом будет определяться применяемым типоразмером модуля автономной энергосистемы. Так, используя модуль типоразмером 4 кВт, можно создать энергорайон общей мощностью до 100 кВт, а типоразмером 33 кВт – мощностью до 1000 кВт. Такие типоразмеры позволяют не только удовлетворять практически все требования различных потребителей (производственные, жилищно-коммунальные и пр.), но и полностью унифицировать энергооборудование – от турбоприводов до целых блоков автономной энергосистемы.
Это сокращает затраты на изготовление и транспортировку оборудования, строительно-монтажные работы, сроки ввода объекта в эксплуатацию, создание линий связи с потребителем и т.д. Ремонтные и профилактические работы на генерирующем оборудовании АСЭ могут проводиться без отключения потребителя. Необходимая продолжительность бесперебойного энергоснабжения в таких случаях обеспечивается, по желанию потребителя, за счет установки дополнительных модулей оборудования.
5.    Проведенные сравнительные экономические расчеты показывают, что при относительно малых объемах требуемой энергии для снабжения удаленных потребителей автономные энергосистемы с использованием возобновляемых источников более эффективны, чем дизельные электростанции и ЛЭП. Так, экономический эффект от применения АСЭ будет более 600 % при сравнении с затратами на эксплуатацию за 10 лет работы дизельной электростанции или ЛЭП аналогичной мощности. Область наиболее эффективного применения АСЭ по совокупности капитальных вложений и эксплуатационных затрат в сравнении с другими типами энергооборудования показана на рис. 1. Срок окупаемости автономной системы составляет 2-3,5 года.
В целом, предлагаемая АСЭ с промежуточным накопителем представляет новое направление развития малой энергетики, заполняя нишу в секторе автономного электроснабжения потребителей на базе низкопотенциальных возобновляемых экологически чистых энергоисточников (рис. 2). Таким образом, имеются все необходимые концептуальные, экономические и технические предпосылки для создания конкурентоспособных локальных энергетических систем, отвечающих следующим требованиям:
•    соответствие режима производства энергии и ее аккумулирования режиму потребления;
•    низкая стоимость энергии;
•    общедоступность исходных ресурсов;
•    высокая надежность и бесперебойность энергоснабжения;
•    экологическая безопасность;
•    простота обслуживания;
•    возможность расширения производства электроэнергии за счет других источников;
•    модульная схема, обеспечивающая серийное производство.
Применение АСЭ с промежуточным накоплением энергии позволяет решать задачи энергообеспечения на различных уровнях возникающих проблем.
На государственном (макроэкономическом) уровне – это создание в короткие сроки энергорайонов, удаленных от энергосистем, с незначительными капитальными вложениями в строительство локальных сетей. Это обеспечение электроэнергией населения в условиях чрезвычайных ситуаций, а также улучшение экологической обстановки, так как энергокомплекс не имеет вредного воздействия на окружающую среду.
На региональном уровне – возможность получения дополнительных мощностей без строительства новых электростанций и введения дополнительных трансформаторных подстанций.
Для частного бизнеса – это получение новых доходов за счет создания предприятий (с возможностью их электроснабжения) в тех местах, где ранее это было экономически невыгодно. Это возможность работы предприятия при отключении электроэнергии (аварии) на линиях электропередач, а также снижение расходов на электроэнергию за счет ее накопления в режиме использования ночного тарифа. Турбины и Дизели