Распределённая генерация

Распределённая энергетика. Основные понятия

Можно уверенно утверждать: распределённая энергетика (РЭ) на протяжении десятилетий играет роль ведущего тренда в сфере развития энергетики. Что вполне понятно, так как концепция РЭ – это строительство вблизи от места потребления энергии источников её генерации. То есть, организация необходимых энергетических мощностей, реально воплощаемых в виде компактных конструкций, подчас обладающих ещё и мобильностью.

Это очень удобно с практической точки зрения. А учитывая использование определённых видов энергии – электрической, тепловой (в виде пара, горячей воды), энергии сжатого воздуха, энергии холода, возникает возможность строительства сооружений энергетического профиля, которые будут производить необходимые виды энергии в нужных количествах. Нередко предоставляется возможность отправлять её излишки в общую централизованную сеть, выступая в роли продавца вырабатываемой энергии.

Понятие «распределённая энергетика» в российских и англоязычных источниках хотя и непринципиально, но всё же различаются, о чём подробнее будет сказано в ходе повествования. Пока что ограничимся несколькими понятиями, которыми оперируют наши зарубежные коллеги. Под распределённой генерацией (распределённой энергией, локальной генерацией, децентрализованной/районной энергетикой) для обозначения которой применена английская аббревиатура DG, (Distributed Generation) они подразумевают производство и хранение электрической энергии, транспортируемой через электрическую сеть или систему распределения, носящих название «распределённых энергетических ресурсов» (DER).

Доля малой распределённой энергетики в мире

В связи с тем, что в качестве источников энергии в системе распределённой энергетики находят применение не электростанции значительной мощности, созданные обеспечивать электрической и тепловой энергией многомиллионные города, крупные промышленные центры или отдельные районы, а установки небольшой мощности, саму РЭ часто именуют малой.

В роли такой малой распределённой энергетики за рубежом в англоязычной литературе выступают ВИЭ (возобновляемые источники энергии). Хотя ради объективности надо сказать, что ряд авторов только ими не ограничивается. Пограничные пределы мощностей источников DG строго не определены. Обычно эксперты из других стран мира разграничивают их на уровне 10 МВт, иногда – на уровне 50 МВт. Navigant Research делает ограничение на уровнях:

• до 500 кВт – для ветряных электростанций,
• до 1 МВт – для электростанций солнечных,
• до 250 кВт – для газотурбинных установок,
• до 6 МВт – для дизельных и газопоршневых электростанций.

Европейский проект партнёрства по распределённой энергетике (The European Union Dynamical Exascale Entry Platform, EU-DEEP), назначил пределы:

• ветряные станции – 6 МВт,
• солнечные – 5 МВт,
• тепловые электростанции, использующие газовые или паровые турбины, поршневые двигатели – 10 МВт,
• микротурбины – 500 МВт.

Однако больший интерес здесь представляют не уровни разграничения, а опубликованный Navigant Research прогноз, говорящий о 3-х кратном превышении объёмов ввода малых распределённых генерирующих мощностей (рассчитанных в МВт) над вводом в работу мощностей централизованных:

В 2015 году глобальный рынок технологий DG (сведения от компании SCC Research) достиг 65,8 млрд $. Сейчас он превысил отметку в 100 млрд $, так как на долю распределённой генерации в ряде европейских стран уже приходится порядка 30% вырабатываемой энергии.

Mordor Intelligence: среднегодовой рост рынка на протяжении 2020-2025 годов должен составить более 7,57%. Что подтверждает опубликованный 19 июня 2023 года пресс-релиз Market Wacth. Он прямо информирует о значительных перспективах технологий рынка распределённой генерации возобновляемой энергии в течение ближайших 5 лет.

Доля малой распределённой энергетики в России

В России ситуация иная. Несмотря на то, что здесь на объекты распределённой генерации (РГ), представленные: блок-станциями, ТЭЦ в населённых пунктах и целым рядом объектов малой и средней генерации, находящимися в собственности компаний не электроэнергетического поля деятельности, приходится лишь порядка 10% вырабатываемой энергии, на текущий момент РГ является максимально развитой частью РЭ.

Уровень 2004 года:

О чём говорят в своих публикациях специалисты из Московской школы управления СКОЛКОВО и ряда ведущих российских центров, занимающихся энергетическими исследованиями.

Причина здесь в том, что в нашей стране во времена СССР энергосистема была предельно централизована. Однако, испытывая проблемы с электроснабжением, целый ряд крупных предприятий и организаций горнодобывающего, металлургического и нефтегазодобывающего профиля занялся строительством собственных блок-станций. Так к 2020 году ПАО «Лукойл» обеспечивало потребности в электроэнергии за счёт объектов собственной генерации на 35-40%.

Области применения распределённой генерации

Потребность в системе РГ сегодня обусловлена, во-первых, спецификой самих потребителей, а во-вторых, оптимизацией режимов снабжения электрической энергией.

Первый случай возникает тогда, когда электроэнергией нужно обеспечить объекты, находящиеся на значительном удалении от системы централизованного снабжения: отдалённые населённые пункты, места добычи полезных ископаемых, районы сельской местности, локализованные территории. Иногда первый случай бывает обусловлен мультигенерацией, призванной обеспечивать клиентов энергией разного вида и сжатым воздухом.

Второй случай необходим при резервном питании, для покрытия пиковых нагрузок и для поддержания нужных параметров сети (напряжения, частоты, тока, коэффициента мощности).

В том и другом случае потребители становятся практически полностью автономными и независимыми от централизованного энергоснабжения, что подчас обеспечивает существенную выгоду, а также позволяет уйти от сложных процессов взаимодействия с энергоснабжающими организациями.

Влияние технологического прогресса

В период со второй половины XX-го века и на протяжении всех прошедших годов XXI-го столетия распределённая энергетика переживает очередной пик своего развития. Первым таким пиком можно считать начало возникновения электроэнергетики, когда первые создаваемые электростанции предназначались лишь для местных потребителей, а электрические сети не отличались столь глобальными масштабами как сегодня.

Причиной второго пика в основном стало влияние технологического прогресса, поставившего на мировой рынок малые энергетические установки (МЭУ), предназначенные для более выгодного по сравнению с достаточно мощными электростанциями, производства электрической энергии. Плюс: МЭУ используют возобновляемые энергоресурсы, а иногда и совмещают эксплуатацию газового и электрифицированного оборудования. Что в условиях сочетания режимов нагрева и охлаждения, на более чем 65% повышает эффективность использования энергоресурсов в условиях интеграции.

Применение распределённой генерации в энергосистеме

Одним из факторов распространения устройств распределённой генерации (УРГ) является возможность подключения их к централизованным системам или создания на их основе локальных энергетических систем. В том и другом случае, установки способны выступать в роли резервных и аварийных источников питания, в нормальных условиях эксплуатации неся на себе часть основной нагрузки энергосистемы, а в условиях пиков потребления, покрывающие недостающие объёмы энергии.

Удобство здесь заключено в рассосредоточении генерирующих мощностей, их высокой мобильности (в случае если применяются установки, которые легко перебазируются в новые места потребления энергии), что эффективным образом отражается на работе энергосистем. Применение УРГ снижает стоимость электроэнергии за счёт поставки её в сеть в режимах высокой потребности.

Влияние интеграции распределённой генерации на надёжность систем распределённой энергии

Внедрение УРГ в электрические сети существенным образом сказывается на их работе.

Положительные стороны такого воздействия связаны с сокращением потерь на транспортировку электроэнергии, а также с повышением надёжности и качества работы систем электроснабжения.

Отрицательные моменты обусловлены нестабильностью работы УРГ и характером производимой ими энергии, которую необходимо стыковать (совмещать, согласовывать) с энергией электрической сети. Параметры той и другой сильно отличаются друг от друга. Кроме того сказываются:

• ограничения на количество блоков подключаемых УРГ;
• связанные с использованием большого количества силовых электронных устройств (через которые и подключаются к сети распределённые генераторы) проблемы;
• необходимость использования усовершенствованных устройств защиты от коротких замыканий;
• значительное расход времени на локализацию и устранение аварий, что резко ограничивает уровень проникновения РГ;
• потребность в модернизации систем, обусловленная протеканием потока мощности в обоих направлениях.

Воздействие отрицательных моментов не только повышает стоимость системы, но и создаёт ряд дополнительных проблем для клиентов.

Факторы увеличения темпов роста и ёмкости рынка малой генерации

Рынок малой генерации на месте не стоит. Как раз наоборот, он развивается самыми бурными темпами. И для дальнейшего его роста существует немало предпосылок:

• Существующая рыночная система ценообразования, регулярно – обычно два раза в течение года – повышающая цены на энергию.

• Постоянный рост цен на услуги энергосбытовых и ресурсоснабжающих организаций.
• Увеличение стоимости (тарифов) на передачу электрической и тепловой энергии, выполняемой магистральными и распределительными сетями.
• Непрозрачный процесс ценообразования, наблюдаемый в системе централизованного электроснабжения в условиях розничного рынка электроэнергии.
• Сложность, длительность и высокая стоимость процессов технологического присоединения к централизованным сетям, к тому же сопровождающаяся множеством трудностей в процессе согласования и утверждения больших объёмов технической и правоустанавливающей документации.
• Увеличение численности вновь возводимых промышленных объектов от ЕЭС России, нередко находящихся в арктических регионах РФ или на отдалённых территориях.
• Повсеместный моральный и физический износ основных средств энергетического комплекса нашей страны. Что резко повышает аварийность системы централизованного энергоснабжения и нередко вызывает как плановые, так и внеплановые отключения потребителей.

Потенциал развития распределённой генерации в России

Потенциал развития РГ в нашей стране весьма значительный. Об этом прямо говорят исследования, проведённые ведущими российскими учреждениями энергетического профиля.

Энергетический центр Бизнес-школы «Сколково» пользуясь данными Росстата, СО ЕЭС и фирмы McKinsey&Company, приводит следующую картину динамики мощности собственной генерации на ближайшее десятилетие, делающую предположение о необходимости ввода к 2035 году 12 ГВт объектов малой и средней генерации и 20 ГВт объектов крупной генерации.

В продолжение темы тот же источник приводит данные о возможном уменьшении выработки и отпуска тепловой энергии, производимой ТЭЦ по двум сценариям:

о двум сценариям:

1. Первый предусматривает замещение производственных мощностей действующих ТЭЦ новым оборудованием, где в условиях полной тепловой нагрузки, вырабатываемой в соответствии с температурным графиком, их суммарная мощность будет равна 20 ГВт к 2025-2030 гг.
2. Второй планирует поэтапный вывод действующих мощностей тепловых электростанций, в результате чего отпуск тепловой энергии от них упадёт по сравнению с 2016 годом на 26% (2025 год) и на 30% (2030 год).

Иную динамику прогнозирует ИНЭИ РАН. Он сообщает: в случае предоставления необходимой поддержки, отпуск тепловой энергии от ТЭЦ к 2025 году вырастет на 7%, а к 2035 году на 26%. Если же делать ставку лишь на объекты РГ (которые должны будут закрыть весь прирост потребления тепловой энергии), то к 2035 году их мощность достигнет 18 ГВт. В случае закрытия полной прогнозной потребности за счёт УРГ (при параллельном сокращении выработки тепловой энергии действующими котельными) эта величина составит 30 ГВт тепловой мощности.

Аналитика от ИНЭИ РАН:

Технологии распределённой генерации

Что представляют собой технологии распределённой генерации, реализованные на базе установок мощностью до 25 МВт в России или системы распределённых энергетических ресурсов (DER) за рубежом, установленной мощностью от 1 КВт до 10 МВт?

Их список включает в себя устройства и технологии, работающие на основе использования:

• всех видов применяемого топлива, включающих в себя помимо широко распространённых энергоресурсов, генераторные газы, попутный нефтяной газ, ТБО и местные угли;
• явлений когенерации и тригенерации;
• топливных элементов;
• микрокомбинированной теплоэнергетики (MicroCHP);
• микротурбин;
• поршневых двигателей;
• двигателей Стирлинга;
• гравитационных, инерционных, химических и иных накопителей энергии;
• чиллеров;
• интеграционного использования названых элементов.

Возобновляемая энергетика

По праву одним из основных драйверов на путях дальнейшего становления распределённой генерации выступает возобновляемая энергетика. Причина здесь кроется в применении практически неисчерпаемых природных ресурсов (солнечной, водяной, ветряной, органической и иных видов энергии и энергоресурсов), предназначенных для получения энергии.

Преимущества возобновляемых источников энергии

Вполне понятно, что источники возобновляемой (альтернативной) энергии завоевали широкую популярность не просто так, а благодаря таким качествам, как:

• возобновляемость ресурса,
• экологическая чистота,
• мобильность и малые габариты по сравнению с традиционными электростанциями, хотя данное качество присуще лишь части УРГ,
• низкая себестоимость вырабатываемой энергии,
• широкомасштабная поддержка со стороны государственных органов и научного сообщества.

Газовая распределённая генерация – наиболее эффективная технология малой энергетики

К текущему моменту времени одни из максимально востребованных устройств РГ в сфере малой энергетики – газопоршневые установки (ГПУ). Электростанции, сформированные на основе поршневого двигателя внутреннего сгорания, отличаются мобильностью, сочетаемой с высокой эффективностью работы, что повышает уровень рентабельности энергетического бизнеса.

ГПУ работают на природном или любом другом горючем газе – широко и распространённом и легкодоступном виде топлива – не оказывающим столь вредное воздействие на окружающую среду, как уголь или мазут. В отличие от АЭС, такие станции гораздо более безопасны в плане возникновения технологических аварий и катастроф. Ещё они позволяют эффективно производить иные (помимо электричества) виды энергии (тепло, холод), практически реализуя процессы когенерации и тригенерации.

Тригенерация на основе ГПУ:

Оборудование малой распределённой генерации. ГПУ

Как уже сказано, газопоршневые установки содержат в своей конструкции двигатель внутреннего сгорания, оснащённый внешним образованием горючей смеси воспламеняемой в камере сгорания в результате искрового зажигания. С целью повышения КПД, ГПУ оснащаются теплообменниками утилизирующими тепло уходящих газов.

Среди достоинств газопоршневых установок:

• повышенный КПД (электрический), доходящий до 40-44%,
• срок службы, составляющий 240 тыс. часов,
• работа на разнообразных видах топлива,
• оптимальные параметры эксплуатации в автономном режиме работы и в параллельном,
• увеличенные интервалы времени между периодами сервисного обслуживания,
• пониженная в сравнении с другими УРГ стоимость изделия.

Из присущих ГПУ недостатков можно констатировать: расходы, связанные с приобретением эксплуатационных материалов (масла) и комплектующих изделий (свечей), а также необходимость обеспечения загрузки оборудования, не менее чем на 40% его мощности.

Воздействие распределённой генерации на окружающую среду

Безусловно, широкое распространение средств распространённой генерации оказывает своё влияние на природную среду. Но в целом в отрицательном плане оно более низкое, чем при использовании инструментов (станций и сетей) централизованного энергоснабжения. Что связано с использованием:

• ВИЭ,
• систем местной генерации, сокращающих потери на транспортировку электрической и тепловой энергии,
• процессов когенерации и тригенерации, осваивающих «бросовую» энергию, которая в иных случаях была бы израсходована впустую.

Нельзя сказать, что средства РГ не оказывают вредного воздействия экологию. Конечно же, оказывают: создают проблемы с окружающей архитектурой и ландшафтов (так как размещаются вблизи конечных потребителей), достаточно остро ставят ситуацию, связанную с землепользованием, подчас приводят к загрязнению водных ресурсов и атмосферы, требуют утилизации отработанного оборудования. Однако всё это не столь масштабно и катастрофично по сравнению с тем воздействием, которое оказывают на окружающую среду средства централизованной генерации.

Что даёт малая энергетика потребителю

Она, прежде всего, даёт чувство хозяина существующего положения вещей и предоставляет энергетическую независимость. Конечно, всё это требует ответственности и профессионализма. Зато в плане экономики и удобства, потребитель получает: автономность, повышение надёжности снабжения энергией, снижение тарифов на энергоресурсы, экономию на транспортировке энергии, оперативность ввода новых мощностей (восемь месяцев по сравнению с двумя и более годами).

При этом нельзя сбрасывать со счетов факт предпринимательской деятельности на почве энергетики, хотя и требующий привлечения серьёзных инвестиций, но взамен предоставляющий целый набор достоинств. Один из наиболее весомых здесь факторов – пониженный срок окупаемости, достигающий 3-4 года.

Направление развития и перспективы

Мир ощущает глобальное увеличение спроса на электроэнергию и другие виды энергии. В процентном отношении ежегодный рост потребления электричества составляет здесь 2,4%. А это означает увеличение на 62-74% расхода электроэнергии в 2040 году по сравнению с 2015 годом. По данным General Electric:

• В 2016 году было израсходовано 21400 ТВт∙ч электрической энергии.
• В 2025 году на глобальные общемировые нужды предстоит потратить 26500 ТВт∙ч электроэнергии.

Что предрекает большое будущее распределённой генерации, неуклонно впитывающей в себя инновации в виде создания интеллектуальных инженерных сетей.

Сравнение традиционной системы (слева) с системой интеллектуальной (справа):

Сетей, представляющих последнее слово в области цифровой энергетики в условиях всё развивающегося рынка виртуальных электростанций.