Энергоснабжение удалённых промышленных объектов (часть 1)

Отдалённость промобъектов от линии центрального электроснабжения ведёт к появлению массы сложностей. В частности, такая удалённость вынуждает владельцев объекта возводить собственные источники генерируемой мощности или же обращаться к альтернативным источникам энергии для потребителей. Одним из преимущественных вариантов на сегодняшний день является применение гибридных энергокомплексов на основе совмещения ВИЭ с традиционными видами генерации и с системами накопления и хранения энергии.

Классификация гибридных энергокомплексов

Гибридные комплексы применяются в различных условиях. Всё зависит от того, какие задачи хочет выполнить потребитель. Потому следует обратиться к классификации, учитывающей тип подключения к регулярной сети и требования к энергоснабжению.

Группирование по типу подключения позволяет определить перечень типовых задач, которые стоят перед комплексом. Кроме того, такая классификация позволяет выбрать структурную схему комплекса. Принято выделять:

1. Автономные комплексы без подключения к регулярной сети. К такой группе можно отнести полностью электрически изолированные от сети поселения, а также автономные измерительные комплексы.
2. Гибриды с резервным подключением. К такой категории относятся системы, которые используют ВИЭ в качестве основного пути генерации, но при этом имеющие возможность импортировать энергию из регулярной сети. Например, объекты индивидуального строительства, которые имеют собственную генерацию, рекреационные объекты, а также выделенные потребители.
3. Полностью подключённые системы. Такие комплексы применяют ВИЭ в комбинации с традиционной энергетикой, что позволяет значительно снизить уровень потребления из сети. В качестве примера тут можно привести производство с высокой энергосоставляющей в себестоимости продукции, а также объекты с особенно выраженными пиками потребления.

Если же обратиться к требованиям к энергоснабжению, то здесь можно разделить комплексы на следующие разновидности:

1. Дающие постоянную нагрузку. Такие комплексы не предполагают возможность полного прерывания поступления энергии.
2. Дающие пиковые или переменные нагрузки, но допускающие прерывание снабжения энергией. Такие комплексы обеспечивают выравнивание или же перенос пиков генерации или потребления для традиционных источников и т.д.

Цели и задачи энергетических комплексов для промпредприятий и коммерческих учреждений

Здесь всё зависит от самого потребителя или предприятия. Однако обобщённо можно говорить о следующих задачах.

Снабжение энергией изолированных потребителей

Такая группа потребителей довольно многочисленна, несмотря на то, что прогресс не стоит на месте. Причём изолированные потребители встречаются во всех регионах нашей страны, вне зависимости от того, насколько широко распространена регулярная сеть.

Если говорить о малых мощностях, то в первую очередь стоит упомянуть автономные метеостанции, как типовых изолированных потребителей. Также в эту группу можно включить телекоммуникационное оборудование (вышки, например) и морские и аэронавигационные объекты (навигационное оборудование).

Для того чтобы обеспечить энергией всех подобных потребителей, используются автономные комплексы. В их состав входят ВИЭ, система накопления энергии, а также традиционные виды генерации (обычно на основе привозного топлива). Значительно сократить количество потребляемого топлива как раз помогают различные ВИЭ, которые дают возможность системе увеличить интервалы автономной работы комплекса без дополнительной дозаправки.

Сокращение затрат на топливо

Одна из самых важных задач для комплекса, обеспечивающего энергией изолированного потребителя – это снижение трат на топливо. Тут стоит сразу отделить маломощные объекты (менее 10 кВт) от объектов с большим уровнем потребления.

В качестве типовых объектов, которые попадают под рассматриваемый сценарий, идеально подойдут поселения, располагающиеся в отдалённых регионах Крайнего Севера, дальневосточные районы, а также горно-обогатительные и горнодобывающие предприятия (также удалённые от регулярной сети). Тут не будет сюрпризом тот факт, что на долю топлива, применяющегося для обеспечения энергией все подобные объекты, приходится внушительная часть бюджета. Потому сегодня идея замещения выработки за счёт различных ВИЭ всё чаще становится поводом для жарких дискуссий. Конечно, стоит понимать, что закрытие большей доли потребности в энергии за счёт методов традиционной генерации не равно малую степень замещения – в моменте доля ВИЭ может достичь 100%.

Повышение уровня надёжности энергоснабжения

Сокращение затрат на энергообеспечение – это ещё не всё. Надёжность энергоснабжения за счёт ГЭК также является актуальной проблемой для объектов, имеющих ответственных потребителей и имеющих подключение к регулярной сети, но испытывающих перебои с поставкой энергии из-за изношенности сетей и других подобных затруднений.

Применение ГЭК с системами резервирования энергоподачи помогает сделать более безопасным использование комплексов потребителями. Оно помогает снизить риск прерывания энергоснабжения за счёт оперативного автоматического переключения на резервный источник электроэнергии (например, на накопительную систему, использующуюся потребителем).

Если добавить в подобную систему ВИЭ, то можно сделать комплекс более гибким, не только помогая обеспечить поддержку уровня заряда системы накопления за счёт ВИЭ, но и снижая уровень потребления энергии из регулярной сети (благодаря добавлению излишков выработки к общему количеству потребляемого объектом).

Участие в рыночных механизмах

Для ГЭК, подключенных полностью, с учётом всех доступных видов энергетических ресурсов в их составе, характерна особая гибкость в вопросах снабжения энергией потребителей. Такая гибкость, помноженная на интеллектуальное управление и обоснованный выбор условий поставки ресурсов из регулярной сети, позволяет применять ГЭК для участия в механизмах оптового рынка. Это позволяет снизить стоимость электроэнергии для потребителя.

В качестве примеров подобных механизмов можно привести:

• ценозависимое снижение потребления;
• перенос пиков или выравнивание нагрузки потребления для понижения платы за мощность;
• интеллектуальное управление ресурсами (что помогает следовать плановому графику потребления).

Недостатки использования ВИЭ в составе гибридных энергокомплексов

Несмотря на все преимущества гибридных систем, недостатки подобных комплексов остаются существенными. Но и их можно устранить.

Низкая прогнозируемость степени выработки ВИЭ

Этот недостаток является одним из главных. Особенно важна малая предсказуемость выработки ВИЭ для промышленных предприятий и объектов, имеющих изолированное энергоснабжение. Несмотря на то что прогресс не стоит на месте и методы прогнозирования совершенствуются, точность предсказаний для интервалов в сутки всё ещё находится на недостаточном уровне. Вычисления включают в себя множество переменных, например, погодные условия, состояние атмосферы, исторические факторы. И все эти переменные не отличаются предсказуемостью и точностью, из-за чего достоверность конечного результата для планирования работы в реальном времени оставляет желать лучшего.

Кроме того, для изолированных объектов дело усложняется ещё и тем, что отсутствует стабильное подключение к интернету, из-за чего использование внешних прогностических ресурсов также становится затруднительным или вовсе невозможным. Для таких условий нужны локальные предсказательные инструменты и модели, которые черпают данные, собираемые прямо на месте (т.е. на самом объекте). Однако и эти данные по своему качеству, точности и объему оставляют желать лучшего, из-за чего комплексные модели прогнозирования не могут нормально функционировать. Приходится применять упрощённые варианты моделей, которые ещё менее точны, чем описанные выше, так что риск нестабильной работы комплекса только увеличивается при их использовании.

Также стоит учитывать и высокий уровень зависимости от погодных условий в случае с изолированными объектами. У природы нет плохой погоды, но есть совершенно непредсказуемые изменения климатической ситуации (особенно, если объект располагается в труднодоступном регионе со сложным климатом). Помочь может лишь надёжный прогноз, а получить его не представляется возможным. Потому точное планирование работы резервных источников и систем накопления энергии становится затруднительным, а снижение эффективности снабжения энергией и экономические потери – более вероятными.

Решить все описанные выше проблемы помогут автономные прогнозирующие системы. Их модернизация поможет точно моделировать выработку ВИЭ в условиях, когда объем данных является ограниченным. Также помочь может активное использование исторических данных с объекта и их машинная обработка, которая в будущем поможет точнее предсказывать колебания генерации.

Нестабильность мгновенной выработки ресурсов

Эта проблема особенно остро стоит в контексте гибридных энергокомплексов. Все из-за того, что большинство ВИЭ зависимы от природных ресурсов, которые, по своему определению, нестабильны. Например, солнечные панели зависимы от количества света, так что даже незначительное на первый взгляд затенение способно ощутимо влиять на уровень их выходной мощности. То же самое касается и ветровых установок, которые зависимы от скорости ветра (при этом у ветряков колебания выработки энергии ещё более резкие, чем у солнечных панелей).

Как это отражается в реальности: любые нормальные для нас изменения погоды (даже кратковременные) приводят к ощутимым изменениям в выработки энергии ВИЭ. Такие изменения могут быть практически мгновенными и предсказать их невозможно. Всё это ставит под угрозу надёжность снабжения энергией объектов (особенно страдают те, которые не оснащены компенсирующими системами).

Возможные пути решения проблемы:

• системы прогнозирования высокой точности (например, SkyCam) – они помогают предсказывать затенения и дают возможность подготовить солнечные панели к изменениям уровня освещения;
• проектирование комплекса с учётом ветровой турбулентности;
• выбор оптимальной мощности и ёмкости системы на начальном этапе проектирования (качественная и соответствующая уровню потребления система накопления поможет нивелировать скачки погодных условий и снизит риск возникновения перегрузок в системе или отдельных элементах оборудования для генерации энергоресурсов).

Безусловно, прогресс на месте не стоит, так что инновационные технологии, внедряемые в эксплуатацию, помогают значительно минимизировать риски, связанные с мгновенной нестабильностью ВИЭ. Поэтому не стоит недооценивать даже самые незначительные колебания погодных условий в вашем регионе. Подойдите к вопросу проектирования со всей ответственностью и как можно точнее учтите все возможные факторы, которые могут снизить эффективность генерации комплексов ВИЭ.