Энергетический мир меняется: централизация против децентрализации
Термин «децентрализованная энергетика» отражает новую тенденцию развития энергосистем, которые уже не основываются только на крупных системных электростанциях, расположенных в местах расположения первичных источников, а включают в себя большое количество более мелких локальных источников электроэнергии и тепла.
Эти местные источники адаптируются к текущим местным условиям и потребностям и используют различные источники энергии от воды, газа и биогаза до возобновляемых источников. Благодаря совместному производству электроэнергии и тепла местным источникам удается повысить эффективность преобразования энергии и тем самым улучшить общее использование первичного топлива.
Традиционная энергетика основана на крупных централизованных источниках (атомная энергия, уголь), системе передачи достаточной мощности и одностороннем потоке электроэнергии.
Помимо когенерационных источников, двигателей Стирлинга или водородных топливных элементов, в децентрализованной энергетике применяются также локальные энергетические системы, основанные на использовании всех видов возобновляемых источников, использовании отработанного тепла или других неиспользуемых до сих пор видов энергии.
Это интересно: Как производят водород: источник энергии будущего
Децентрализованные источники энергии
В предыдущие десятилетия энергетика базировалась на традиционных ресурсах и магистральных линиях электропередачи. Актуален вопрос имеющихся запасов первичных невозобновляемых видов топлива, которые в настоящее время добываются в достаточном количестве, но их запасы сокращаются и постепенно приближаются к своему исчерпанию.
Возможным решением является повышение эффективности всей энергосистемы, начиная с увеличения выхода месторождений энергетического сырья, за счет повышения эффективности преобразования энергии, снижения потерь при передаче и заканчивая рациональным управлением энергией в конечном потреблении.
Реструктуризация энергетической системы сложна и медленна. Основными средствами его развития являются либерализация, децентрализация и технические инновации.
В долгосрочной перспективе количество электростанций, использующих уголь и газ, будет сокращаться. Таким образом, текущая тенденция в энергетической отрасли заключается в дополнении системных ресурсов меньшими электростанциями и, таким образом, в определенной степени децентрализации производства энергии.
Хотя бы частичное покрытие потребления местным эффективным производством электроэнергии приведет к снижению нагрузки на крупную энергетику и к изменению восприятия до сих пор второстепенных источников энергии.
Безусловно, в них в значительной степени будут представлены возобновляемые источники (гидравличнеские, ветряные и фотоэлектрические электростанции), которые становятся все более конкурентоспособными благодаря техническому прогрессу и последующему сокращению необходимых инвестиций (смотрите - Действительно ли возобновляемые источники энергии дороже ископаемого топлива?).
Децентрализация ресурсов позволяет значительно повысить эффективность преобразования энергии за счет адаптации к местным условиям. Меньшая потребность в передаче способствует повышению эффективности всей системы и дает возможность использовать любую доступную энергию, в том числе возобновляемую.
Децентрализованное производство энергии производит электроэнергию (+ тепло) с высокой эффективностью вблизи точки потребления, независимо от мощности, вида топлива или технологии. Децентрализация охватывает широкий спектр технологий, установленных мощностей и источников энергии, в частности:
- высокоэффективные когенерационные источники с установленной мощностью от 1 кВт до более 400 МВт, использующие двигатели внутреннего сгорания и турбины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, микротурбины и топливные элементы,
- местные энергетические системы, использующие возобновляемые источники энергии, отработанное тепло или другие формы энергии, которые еще не используются.
Самым большим препятствием для децентрализации ресурсов является монополия центральной энергосистемы с государственным регулированием.
Корпоративные электростанции, тепловые и когенерационные установки, а также различные миниатюрные источники, устанавливаемые у конечных потребителей, займут устойчивое место в децентрализованной энергетике.
Частный потребитель становится активным сопроизводителем электроэнергии. Энергосеть перестанет быть односторонней от крупных электростанций к потребителям и станет двусторонним связующим звеном, балансирующим текущее состояние между производством и потреблением.
Ветряные и фотоэлектрические электростанции являются одними из основных представителей возобновляемых источников энергии в децентрализованной энергетике будущего
Более децентрализованные ресурсы означают более высокий уровень надежности производства электроэнергии. Выход из строя одного из множества небольших источников может быть замещен легче, чем выход из строя крупной системной электростанции, поставляющей в сеть от 5 до 10% всей текущей мощности.
Состав энергетического баланса также является важным аспектом при построении децентрализованной энергетики. Нецелесообразно зависеть от одного типа источника с точки зрения безопасности электроснабжения.
Если бы государственная энергосистема базировалась только на большом количестве, например, когенерационных газовых установок, резкое повышение цены на газ или его отсутствие на рынке могло бы существенно повлиять на функционирование энергосистемы и самообеспеченность энергией.
Децентрализованные электрические сети
Включение небольших децентрализованных ресурсов в распределительную сеть приведет к изменению потоков энергии и функционирования сети с точки зрения контроля, мощности и топографии
При подключении большего количества децентрализованных ресурсов разного уровня напряжения к существующим распределительным системам, несомненно, возрастут требования к их взаимосвязи, контролю и автоматизации. Это связано с тем, что источники перестанут вести себя как пассивные элементы, отвечающие критериям эксплуатируемой сети, к которой они подключены, и начнут активно предлагать произведенную электроэнергию в систему.
Современная распределительная сеть должна будет адаптироваться к этим ресурсам с точки зрения топографии, пропускной способности и контроля. Кроме того, это обеспечит естественную кооперацию большой системы и объединенных более мелких местных ресурсов.
Потоки энергии в новой сети будут не только односторонними - от центрального участка производства к месту потребления, но энергия будет направлена во все стороны в соответствии с потребностью и текущим состоянием баланса мощности.
Вероятно, изменятся и способы эксплуатации электрических сетей. Будет создана современная распределительная сеть с соответствующим образом расположенными элементами управления, защиты и коммутации, которые благодаря их взаимодействию обеспечат оптимальную работу сети и, в случае сбоев, обеспечить быстрое выявление неисправностей и переподключение распределительной сети с тем, чтобы обеспечить электроснабжение как можно большего числа потребителей.
Первоначальная классическая концепция распределения электроэнергии рассчитывала на централизованно контролируемое производство электроэнергии и ее неизвестное потребление. С увеличением доли более мелких, особенно альтернативных источников, где производство сильно изменчиво и непредсказуемо (угрожает стабильности сети), возникает потребность в новом способе управления энергосетями с оптимизацией как со стороны производства, так и со стороны сторону потребления.
Концепция таких распределительных сетей получила название Smart Grid (Интеллектуальная сеть) и основана на оцифровке и полной автоматизации управления сетью, на двусторонней связи между производственными ресурсами, распределительной сетью и потребителями, а также на возможности большей децентрализации сети сеть за счет привлечения альтернативных источников энергии.
В интеллектуальных сетях используется большое количество датчиков и сенсоров, развернутых на силовых устройствах сети, для отслеживания ее состояния, поведения и тенденций. Поток цифровых данных постоянно направляется в центр управления, где автоматика в режиме реального времени оценивает нагрузку на сеть и качество электроснабжения.
В случае отключения электроэнергии или неисправности в сети Smart Grid способна немедленно определить место неисправности, восстановить электроснабжение, если это возможно, или переключить его неповрежденные части на другой источник питания. Таким образом, интеллектуальная сеть минимизирует площади и продолжительность аварийных состояний.
Массовое подключение децентрализованных малых электростанций мощностью от кВт до МВт в распределительную сеть вызвано экологической тенденцией использования альтернативных источников.
Прежде всего, ветряные и солнечные электростанции характеризуются тем, что они не обеспечивают постоянную мощность в сеть. Их использование довольно сложно предсказать с точки зрения производительности и времени.
Это, конечно, предъявляет высокие требования к управлению мгновенным балансом между производством и потреблением электроэнергии и оптимизации пропускной способности сети — еще одному важному элементу развития интеллектуальных сетей.
Для облегчения работы этих сетей с возобновляемыми ресурсами процессы управления также используют метеорологические данные о текущем развитии погоды как часть оценки производства.
Если управляемый источник (например, когенерационная установка) подключен к интеллектуальной распределительной сети, то сеть или ее часть могут работать даже при выходе из строя центрального источника питания в так называемом островном режиме. При этом изолированная, но функционирующая сеть сохраняет все свои первоначальные характеристики и может временно питать необходимую инфраструктуру в кризисный период.
Очень важной особенностью интеллектуальной сети является возможность интерактивной двусторонней связи между источниками производства, точками конечного потребления и центром обработки данных. Это позволяет интеллектуальной сети гибко реагировать на изменение спроса и предложения в режиме реального времени, интеллектуально подключая и контролируя ресурсы или дистанционно управляя потреблением.
Внедрение интеллектуальных технологических решений в управлении и эксплуатации распределительной сети способствует ее стабильности, улучшению обслуживания клиентов и, что не менее важно, защите окружающей среды (за счет использования альтернативных источников энергии).
Даже обычные пользователи почувствуют преимущества умных энергетических сетей. Если они оснащены цифровыми счетчиками (счетчиками электроэнергии) с возможностью связи в режиме реального времени, они могут контролировать и управлять своим потреблением в режиме онлайн или использовать специальные тарифы на электроэнергию, устанавливая цену на электроэнергию в зависимости от времени потребления. Таким образом, использование элементов интеллектуальной сети поможет им сэкономить свои расходы на электроэнергию (до 10%).
В будущем получение информации из сети будет напрямую интегрировано в бытовую технику. Нагрев воды или посудомойка тогда включится днем в наиболее удобное время (когда электроэнергии достаточно и она самая дешевая).
Будущее децентрализованной энергетики
Благодаря технологическим возможностям количество и общая установленная мощность децентрализованных возобновляемых источников и мощность малых газовых источников в ближайшие 30 лет естественным образом возрастут. Их доля в покрытии спроса на электроэнергию будет зависеть в первую очередь от развития накопителей энергии и наличия других гибких источников.
Для обеспечения самообеспеченности производством электроэнергии в будущем, возможно, также потребуется ввод новых атомных электростанций и парогазовых установок в дополнение к децентрализованным источникам энергии.
Что касается экологических последствий будущего развития энергетики, то можно констатировать, что переход к значительной представленности возобновляемых источников наиболее существенно ограничит выбросы вредных веществ и парниковых газов в атмосферу.
Децентрализованные источники с переменным ежедневным производством и небольшим использованием установленной мощности потребуют включения батарей или других систем хранения энергии
С введением в большей степени источников прерывистой генерации естественно возрастет потребность в хранении энергии внутри суток и в пределах сезонов для поддержания необходимой устойчивости и надежности системы. Аккумулирующие способности будут реализованы в основном аккумуляторными системами на всех уровнях напряжения. Однако высокие инвестиции в распределительные сети будут уравновешены более низкими инвестициями в передающие сети и снижением потерь при передаче.
Изменение удельных затрат на передачу и распределение, вероятно, также потребует общей корректировки структуры платежей за поставку электроэнергии.
Включение большого количества децентрализованных источников увеличит затраты, связанные с распределением электроэнергии и управлением сетью.
Развитие энергетики со значительным представительством газовых источников (в случае децентрализованной энергетики в основном за счет использования малой когенерации и микрокогенерации) будет означать рост потребления газа в ближайшие десятилетия.
С другой стороны, за счет внедрения мер по повышению энергоэффективности сократится ее расход на отопление, а за счет более высокой загрузки газовой системы снизятся удельные затраты на ее транспортировку и распределение.
Смотрите также: Перспективы интеграции Интернета вещей (IoT) и умных электрических сетей (Smart Grid)