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
Направления развития электроэнергетики Казахстана: Атомная энергетика
Направления развития электроэнергетики Казахстана: ВИЭ
Направления развития электроэнергетики Казахстана: путь устранения дефицита мощности Южного региона
