Аккумулятор для энергосистемы: как Украине компенсировать пики и провалы в энергопотреблении

Кризисные явления в экономике Украины повлекли за собой негативные процессы в отечественной электроэнергетике. Одной из основных причин стали боевые действия на Донбассе в зоне АТО, где расположены угольные шахты, добывающие энергетический уголь, и ТЭС, работающие на этом угле. Правительство пошло на решительные шаги, одобрив указ о чрезвычайном положении в электроэнергетике, который подразумевает серьезные лимиты по топливу для газовых ТЭЦ, возможность веерных отключений для населения и использования в качестве потребителей-регуляторов энергосистему Крыма, и крупных промышленных предприятий. Одним из последних решений стали рекомендации на ночное ограничение генерации для ветроэлектростанций, которые нуждаются в резервной поддержке со стороны энергосистемы, которой сейчас попросту нет.

Энергетическая синусоида

Энергосистема — это совокупность электростанций-генераторов, потребителей и сетей, соединенных между собой и связанных общим режимом. Вот как раз именно соблюдение режима оказалось под угрозой, в связи дисбалансом генерации и спроса, особенно в течении одних суток. График потребления электроэнергии весьма неравномерен. Причин тому несколько: рост использования со стороны непромышленников, внедрение возобновляемых источников электроэнергии. Одной из основных проблем украинской энергосистемы является дефицит маневренных мощностей, позволяющих компенсировать перепады нагрузки — их необходимо как минимум 15% от общей установленной мощности, при этом наша страна сейчас располагает всего 9%, оптимальный же показатель достигает 20% , и дефицит пиковой мощности, прогнозированный уже на 2017-2020 года, наблюдается уже сегодня.

Так, по официальным данным ГП "Энергорынок" Украины, 02.02.2012 года был зафиксирован рекордный максимум в выработке и потреблении электроэнергии — 31800 МВ, а в тот же день минимальное потребление мощностей ОЭС Украины было 24600 МВт. Благодаря тому, что объединенная энергосистема (ОЭС) Украины входила в состав энергосистемы СССР, до сих пор для покрытия пиковых нагрузок используются межсистемные перетоки из энергосистемы РФ (по данным НЭК "Укрэнерго", максимальное их значение в 2012 достигало 2000 МВт). Впрочем, даже это не всегда помогает компенсировать риски, возникающие из-за пиковых нагрузок. Разница в потреблении в течение рядовых суток в зимний период может колебаться в пределах 6500-7000 МВт, что не самым позитивным образом сказывается на надежности энергосистемы и не может продолжаться в течение длительного времени.

Все же компенсаторными возможностями украинская энергосистема обладает — для этого, кроме ГЭС и ГАЭС, используется работа крупных энергоблоков ТЭС в режиме поддержания переменных нагрузок. Такой метод использования требует частых остановок, которые сопровождаются потерей эффективности и, что не менее важно, рабочего ресурса. В итоге все чаще общих мощностей энергоблоков теплоэлектростанций банально не хватает для поддержания равновесия в системе. По данным НЭК Укрэнерго, в циклическом режиме используется, в среднем, 10 энергетических блоков. Например, в тот же рекордный день 2 февраля 2012-го при минимуме потребления (в 4:00) общее количество блоков ТЭС генерирующих компаний, которые были в работе, составляло 63, а при максимуме (в 18-00) — 72. Осенью этот показатель составлял соответственно 36 и 53. Такое "нерациональное" использование, в итоге, приводит к экономическим потерям, которые в десятки раз выше расходов при работе в рамках технологического регулирования.

Покрытие пиковой мощности невозможно за счет только тарифной политики (например, стимулирования ночного потребления за счет понижения стоимости электроэнергии в этом промежутке) и диспетчерских команд. Одним из перспективных направлений решения данной проблемы может оказаться масштабное внедрение на объектах электроэнергетического комплекса специализированной системы потребителей — регуляторов, в задачу которой входило бы выравнивания графика нагрузки энергетической системы, компенсация внезапных небалансов генерации и потребления, поддержка работы возобновляемых источников электрической энергии со стихийной выдачей мощности под оперативным руководством со стороны электроэнергетической системы.

Заокеанские маневры

Сейчас 99% процентов технологий накопления энергии и управления режимами потребления электрической энергии для регулирования небалансов в Европе составляют ГАЭС — гидроаккумулирующие станции. А, например, в структуре маневренных мощностей в США ГАЭС занимают 95% (23,4ГВт). В условиях значительной неравномерности суточных графиков нагрузки в объединенных энергосистемах именно ГЭС и ГАЭС, обладающие высокой маневренностью и большим регулировочным диапазоном, высокими скоростями изменения нагрузок, минимальным временем набора нагрузки, пуска и остановки агрегатов, выполняют важнейшие задачи покрытия пиковой части графика и заполнения провальной части ночью благодаря работе в турбинном или насосном режиме до 20-30 раз в сутки.

В Украине же регулировочный диапазон ГЭС и ГАЭС составляет только 2500 — 2800 МВт, тогда как необходимо более 5000 — 7000 МВт. Потребность в гидроаккумулирующих электростанциях резко ощущается в Украине, но их внедрение всегда несет риск экологических и техногенных катастроф. Это отмечено в запрете Конгресса США от 15 января 2014 года на участие международных финансовых организаций (Всемирный Банк, ЕБРР, МВФ) в реализации проектов создания новых плотинных ГЭС и ГАЭС в мире.

В мире инноваций

Мировая общественность давно не полагается только на силу воды. Есть и более современные виды хранения энергии — термические, электрохимические, маховиковые механические накопители и накопители на основе сжатого воздуха. В США такие "аккумуляторы" довольно распространены и поддерживаются государством, да и их общая установленная мощность растет. Так, по состоянию на декабрь 2013 года по данным Департамента энергетики США, в Штатах используют 431 МВт термических, 304 МВт батарейных, 40 МВт маховиковых и 423 МВт накопителей энергии на основе сжатого воздуха.

Термотехнологии характеризуются наличием баков-аккумуляторов, зарядка которых происходит в часы снижения спроса на электрическую энергию. В часы же повышенного спроса они выдают тепловую энергию, замещая работу генерации. Например, бытовые тепловые насосы, используемые для нужд индивидуального отопления. В Германии возможный диапазон маневрирования подобной техникой оценивается в 250 МВт при минимальной температуре окружающей среды и при условии наличия "командного центра". Однако ученые признали, что такой вид компенсации слишком зависим от температуры за окном, и потому не экономичен, хотя и характеризуется наименьшими необходимыми инвестициями — чуть более $2 тысяч на каждый запроектированный киловатт установленной мощности.

Второй вид — электрохимические накопители — представляют собой фактически батарейку, но очень большого размера. Одна из крупнейших батарейных установок управления нагрузкой мощностью 34 МВт работает в японском городе Роккашо с 2008 года, где она используется для стабилизации работы ВЭС. Всего в мире на июль 2013 было установлено около 320 МВт "батареек". Однако и здесь не все так гладко — сейчас нет таких батарейных технологий, которые бы отвечали требованиям работы электросетей энергетической системы. Менее 1% технологий накопления в Европе — батареи, и такой способ накопления энергии используется преимущественно в возобновляемой энергетике. Да и стоимость такого оборудования пока оставляет желать лучшего — в среднем порядка $3 тысяч за киловатт установленной мощности накопителя.

Накопители сжатого воздуха работают аналогично гидроаккумулирующим станциям — в часы снижения потребления закачивают воздух в резервуары, а в пики сжатый воздух используется в газовой турбине для генерации необходимой электроэнергии. Из открытых источников известно о коммерческой эксплуатации таких технологий в современных энергетических системах в Германии в Хунторфе, где много лет работает установка мощностью 28 МВт, с 4-х часовым циклом зарядки-разрядки, также существует опыт эксплуатации США в штате Алабама. Стоимость киловатта установленной мощности таких накопителей полторы тысячи долларов, но их использование связано с использованием дефицитного природного газа в газовой турбине и поэтому сейчас не может рассматриваться в Украине как актуальный способ решение проблемы.

Существуют и более экзотические предложения, например использование в качестве регулятора для заполнения ночного провала потребления станции для зарядки электромобилей Тесла, но, к сожалению, такие автомобили пока не получили широкого распространения, да и общее управление подобной системой будет крайне сложным по причине необходимости создание дополнительной дорогостоящей сети связи и необходимости зарядки в строго установленное ночное время.

Однако в Украине энергосистема работает не только на поставки тока, но и на выработку тепловой энергии. Поэтому для наших реалий потребители-регуляторы были бы более актуальными при использовании установок электротеплового преобразования, например тепловых насосов с включением их в существующие системы теплоснабжения от электрических станций и котельных.

В финальной версии Энергетической стратегии Украины до 2030 года указано, что для регулирования переменных нагрузок особого внимания заслуживают именно проекты внедрения тепловых насосов-регуляторов в системах централизованного теплоснабжения, предназначенных для регулирования небалансов электроэнергетической системы с полноценным выполнением функций экономического и экологически чистого источника тепловой энергии, который утилизирует тепловые потери энергетического оборудования или тепловую энергию окружающей среды.