Направления развития электроэнергетики Казахстана: Система накопления электрической энергии

Палочка-выручалочка, выручай.

Уже много лет известно, что в Ка­захстане не хватает маневренных мощ­ностей. Угольная генерация, доля кото­рой велика в энергосистеме не является гибкой и не позволяет осуществлять не­обходимое регулирование. Регулирую­щих мощностей гидроэлектростанций не хватает энергосистеме, доля газовой генерации, которая тоже могла бы по­мочь, мала, а большинство традицион­ных тепловых электростанциях не в со­стоянии справиться с этой задачей.

Отсутствие маневренных мощно­стей – это давняя болезнь Казахстан­ской энергетики. Она затрудняет про­цесс управления режимом, особенно в часы прохождения максимальных на­грузок, не позволяет проводить опти­мальную балансировку своими силами.

Принимаемые меры по диверси­фикации структуры генерирующих мощностей в ЕЭС Казахстана за счёт строительства новых маневренных мощностей не имели успеха, что при­водило к многолетним дополнитель­ным затратам на содержание горячего резерва мощности на тепловых стан­циях. Это естественно, не улучшало сбалансированность энергосистемы, а только ухудшало экономические по­казатели не только этих станций, но и всей энергосистемы.

С началом интеграции вариабель­ных ВИЭ ситуация с отсутствием гибкой маневренной мощности в энергосисте­ме стала ещё более ухудшаться. И толь­ко героическая работа АО «KEGOC», оказывающего системные услуги по улучшению управляемости энергоси­стемы за счёт создание системы авто­матического регулирования частоты и мощности (АРЧМ), цифровизации, ввода балансирующего рынка, прогно­зирования и моделирования работы энергосистемы позволяет наращивать мощность ВИЭ в энергосистеме.

В марте 2017 года МЭА опублико­вало работу «Поймать ветер и солнце в сеть» (Getting Wind and Sun on to the Grid). Это руководство для со­трудников министерств энергетики и регуляторов энергетических рынков, направленно на решение проблем ин­теграции ВИЭ в энергосистемы. В нём рассматриваются четыре стадии рас­пространения переменчивых ВИЭ и использования мобильных мощностей для этого. Каждая из стадий имеет свои специфические характеристики.

На первом этапе, когда доля ВИЭ в годовой выработке электроэнергии не превышает 3%, интеграция переменчи­вых возобновляемых источников энер­гии не оказывает заметного влияния на сеть. Нестабильная генерация ветряных и солнечных электростанций «класси­фицируется» здесь просто как ежеднев­ные и «естественные» изменения спроса на электроэнергию. Специальных мер для её интеграции обычно не требуется. Энергосистема своими силами за счёт модернизации системы управления спо­собна обеспечить процесс интеграции ВИЭ. Этот уровень ВИЭ был достигнут Казахстаном к началу этого года.

На втором этапе, когда доля ВИЭ составляет 3-15%, они начинают се­рьёзно влиять на систему. Необходима адаптация имеющихся ресурсов регули­рования, технологий и усовершенство­вания некоторых практических методов управления энергосистемой, с помощью «умного» прогнозирования выработки солнечных и ветряных электростанций. Здесь уже наличие накопителей необхо­димо для наращивания мощности ВИЭ.

На третьем этапе, когда доля ВИЭ превышает 15 % от годовой выработ­ки, возникают существенные вызовы для энергосистемы в плане интеграции нестабильных ВИЭ. Их влияние ощу­щается как на уровне системы в целом, так и на практике работы других (тра­диционных) электростанций. Здесь на первое место выходит гибкость энерго­системы – её способность реагировать на неопределенность и изменчивость баланса спроса и предложения. Здесь уже требуется глубокая перестройка ра­боты энергосистемы и внедрение новых средств и инструментов поддержания работы энергосистемы. Два главных гибких ресурса этой стадии – управля­емые (маневренные) электростанции и сеть, но уже начинает повышаться зна­чение управления спросом и новых тех­нологий накопления энергии.

Четвертая стадия – более 50 % го­довой выработки ВИЭ-генерации. Для успешной интеграции такого объёма ВИЭ-генерации в энергосистему необ­ходимо, прежде всего, решить вопросы стандартизации технических требова­ний к вводимому оборудованию ВИЭ. ▼

Как утверждают сотрудники Ин­ститут систем энергетики им. Л. А. Ме­лентьева (ИСЭМ) СО РАН, основная задача накопителей состоит в том, что­бы создать новую энергетическую ин­фраструктуру, позволяющую не только со своей помощью объединить центры генерации и потребления в общую энер­гетическую «систему систем», но и ин­тегрировать в неё автономные, распре­деленные и централизованные системы совместно с ВИЭ.

Для развития маневренных мощно­стей республике необходимо на первом этапе увеличить долю гибких источни­ков за счёт расширения ввода ГЭС, га­зовой генерации с последующим строи­тельством ГАЭС, о чём уже говорилось и наращиванием ввода разного типа накопителей энергии, которые сегодня полностью отсутствуют в Казахстане.

Уже было отмечено, что в трёхце­почной модели «производство, пере­дача с распределением и потребление энергии» появилось новое звено – на­копители энергии, или хранилище энергии, как его называют на Западе, которое не успев родиться, мгновенно, без всякого приглашения, проникло в каждое звено этой трёхцепочной схе­мы и в значительной степени расши­рило функциональные возможности каждого из этих звеньев.

Больше того, этот молодой ребенок, обретя самостоятельность, настолько уже встал на ноги, что без него сегодня не может обходится ни энергосистема, ни потребитель. Он положительно вли­яет и на технологию электроэнергетики и на экономические показатели. При­чём каждому из этих звеньев цепи си­стемы хранения энергии – накопители способны принести пользу.

В таблице ▲ приведены возможно­сти влияния накопителей на процессы генерации, распределения и потребле­ния электроэнергии.

Структурная схема любой системы накопления энергии показана на Рис. 15 на примере аккумуляторной батареи.

Крупные СЭС и ВЭУ с накопителями (аккумуляторами) электроэнергии во многих энергосистемах на Западе, уже добиваются сетевого паритета с тради­ционными электростанциями не только в отношении цены, но и производитель­ности. Имеющиеся у них накопители энергии не только облегчают процесс управления на самих СЭС и ВЭУ, но оказывают системные услуги по управ­лению нормальным и аварийным режи­мом энергосистемы развенчивая устояв­шиеся представления о преимуществах традиционных источников энергии.

Установка накопителей энергии на любой электрической станции и распределенных накопителей разных типов в энергосистеме, способных оперативно изменять свою генера­цию автоматически или по команде диспетчера, оказывается значительно более экономичным вариантом для ре­зервирования генерации солнечных и ветровых электростанций, чем вариант содержания горячего резерва мощно­сти на традиционных электростанциях, используемый сегодня в Казахстане. Это связано с тем, что установка нако­пителей требует только одноразовых вложений, в то время как содержание горячего резерва связано с постоянной оплатой расходуемого топлива на мно­жестве электростанций республики в течении даже не одного года. Поэтому в наше время резерв маневренной мощ­ности должен создаваться не за счёт технологий самих традиционных элек­тростанций, что вызывает значитель­ные дополнительные затраты, а за счёт установки накопителей на электриче­ских станциях и расширения накопите­лей в энергосистеме.

Наличие накопителей наряду с дру­гими инновациями в энергосистеме помогает снижать нестабильность вы­работки ветровой и солнечной энер­гии, что повышает надёжность ВИЭ, необходимую для конкуренции с тра­диционными источниками. При этом накопители не только способны улуч­шить процесс интеграции самих ВИЭ, но также оказывают влияние на режим работы энергосистемы, способны бы­стро устранить аварийную ситуацию, возникающую в энергосистеме. Поэто­му возможность демпфирования воз­никающих возмущений в энергосистеме улучшается. Возрастает стабильность режима и надёжность энергосистемы. А энергокомпании за счёт накопителей могут сдвинуть часы потребления элек­троэнергии из централизованной сети на период минимальной нагрузки энергоси­стемы, когда стоимость энергии ниже.

Функции, выполняемые системой накопления энергии:

  • Режим источника бесперебойно­го питания.
  • Срезание пиков мощности.
  • Компенсация резкопеременной нагрузки.
  • Регулирование напряжения и ча­стоты.
  • Ограничение наброса и сброса нагрузки (критично для газовых гене­раторов).
  • Стабилизация работы генератор­ного оборудования.
  • Замена «вращающегося резерва».

На Рис. 16 показано, как накопите­ли энергии, выполняя функцию манев­ренной мощности сокращают пиковую нагрузку в процессе прохождения су­точного максимума.

Для обеспечения постоянного ба­ланса в энергосистеме между спро­сом и предложением требуется тонкое ежесекундное регулирование. Одним из технологических преимуществ ак­кумуляторной батареи по сравнению с большинством других сетевых ресур­сов является то, что батареи действу­ют быстро, почти мгновенно. Газовая электростанция, находящаяся в режиме ожидания, будет для этого сжигать то­пливо, нагревать воду и вырабатывать пар для вращения своих турбин, но не будет подавать электроэнергию в сеть.

Батареи обеспечивают короткие всплески мощности для поддержания стабильного напряжения и часто­ты сети при меньших затратах, чем крупные электростанции и турбины, работающие в режиме ожидания. Ба­тареи также могут кратковременно заменить генераторы на ископаемом топливе, помогая стабилизировать электросеть.

За счёт значительной пользы разных типов накопителей эксперты полагают, то в ближайшие 10 лет среднегодовой темп роста рынка накопителей энергии будет превышать 30 % с тенденцией увеличения их об-щей ёмкости и снижения удельной стоимости запасённой энергии. Полагают, что в дальнейшем огромные аккумуляторные батареи, устанавливаемые сейчас в энергосистемах мира, станут просто не нужны. Накопление электроэнергии будет осуществляться у пользователей, в недорогих компактных устройствах, а развитие технологии суперконденсаторов позволит обеспечить надёжность и безопасность таких накопителей.

На Рис. 17 приведено экономическое сравнение накопителей с газовой генерацией для увеличения маневренной мощность. Преимущество накопителей очевидно.

На Рис.18 показан прогноз сниже­ния затрат на батареи.

Перспективы Solar+хранение в бли­жайшем будущем ещё более обнадежи­вающие. Батареи не просто дешевеют, они делают это со скоростью, намного опережающей прогнозы.

Сегодня стоимость накопителей энергии при их значительной мощ­ности и совместном использовании с СЭС в Австралии и США обходятся дешевле, чем строительство газовых электро­станций. Поэтому и у нас при про­ведении аукционов и закупке новых мощностей для энергосистемы Казах­стана, надо закупать не новые ВИЭ, и не отдельно маневренные мощности, а совместно ВИЭ + накопители. Такой вариант обойдется и дешевле и пользы для энергосистемы будет больше.

В Казахстане можно было бы разместить и использовать накопите­ли энергии различного типа, которые бы также выполняли функции манев­ренных мощностей и позволяли бы развивать ВИЭ. Это огромный белый пласт, который предстоит освоить Ка­захстану, если мы идем по пути разви­тия ВИЭ.

Полагаем, что для Казахстана на­ращивание маневренных мощностей должно проходить за счёт сочетания выстроенных новых ГАЭС с использо­ванием накопителей и новыми, относи­тельно более дешёвыми, источниками гибкости.

Принимая все достоинства накопи­телей, задача государственного управ­ления должна состоять в том, чтобы продвинуть их использование. Для этого целесообразно разработать нор­мативно-правовой механизм, который создает привлекательные финансовые условия для установки накопителей не только в энергосистеме, но и на сторо­не потребителей.

Продолжение следует …

Герман Геннадьевич ТРОФИМОВ,
д. т. н., профессор, заслуженный энергетик СНГ и Республики Казахстан

 

Facebook Comments
Print Friendly, PDF & Email

Просмотров: 1076