CC BY
53ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 18.01.13. Ред. рег. № 1519 The article has entered in publishing office 18.01.13. Ed. reg. No. 1519
УДК 621.31
МИКРОСЕТЬ НА ОСНОВЕ ВИЭ КАК ИНСТРУМЕНТ КОНЦЕПЦИИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
1 2 1 В.В. Харченко , В.Б. Адомавичюс , В.А. Гусаров
всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ Тел. (499) 171-27-43; e-mail: [email protected], www.viesh.ru
2Каунасский технологический университет, Каунас, Литва
Заключение совета рецензентов 23.01.13 Заключение совета экспертов 30.01.13 Принято к публикации 06.02.13
Широкое распространение на практике во всем мире получает концепция малой распределенной энергетики. Распределенный энергетический ресурс - это совокупность генерирующих источников, распределенных по всей распределительной сети, как со стороны потребителя, так и со стороны поставщика. Рассмотрены принципы построения микросети на основе ВИЭ в качестве инструмента реализации концепции распределенной энергетики.
Ключевые слова: распределенная энергетика, локальная микросеть, структура, возобновляемая энергия, генерирование электроэнергии
RES-BASED MICROGRID AS AN INSTRUMENT OF DISTRIBUTED
ENERGY CONCEPT
V.V. Kharchenko1, V.B. Adomavicius2, V.A. Gusarov1
1 All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-27-43; e-mail: [email protected], www.viesh.ru
2 Kaunas University of Technology, Kaunas, Lithuania
Referred 23.01.13 Expertise 30.01.13 Accepted 06.02.13
A small distributed energy concept is world wide spread nowadays. The distributed power resource is a set of generating sources distributed along distribution network both from the consumer and from the supplier sides. Principles of design and construction of RES-based micro-networks as the tools of the distributed energy concept are considered in the paper.
Keywords: distributed energy, local micro-network, renewable energy, electricity generation.
Харченко Валерий Владимирович
Сведения об авторе: ГНУ ВИЭСХ, главный научный сотрудник, доктор технических наук, профессор
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, энергоснабжение,
энергоэффективность
Публикации: 243
Гусаров Валентин Александрович
Сведения об авторе: ГНУ ВИЭСХ, заведующий лабораторией, кандидат технических наук Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, энергоснабжение, энергоэффективность Публикации: 37
Витаутас Адомавичюс
Сведения об авторе: Каунасский технологический университет, инженер-электротехник, доктор наук Область научных интересов: исследование и применение систем возобновляемой энергии малой мощности.
8о
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Распределенное производство электроэнергии -это относительно новое направление развития глобальной энергетики, которое в последнее время активно разрабатывается и привлекает все большее внимание научной общественности и бизнеса, поскольку это один из важнейших факторов повышения энергетической безопасности таких стран как Россия. Около 2/3 территории страны, на которой проживает порядка 20 млн. человек, не охвачено централизованным электроснабжением, а на значительной ее части отсутствуют вообще какие либо источники энергии. Более 50% регионов страны энергодефицитны.
Децентрализация энергоснабжения является жизненной необходимостью для населения, проживающего на огромных пространствах страны, и мощным стимулом для вовлечения этих территорий в хозяйственную деятельность.
Основой решения этой задачи является освоение новых технологий экологически чистой возобновляемой энергетики. Автономное энергоснабжение - это та ниша, где использование возобновляемых источников энергии и, в частности, энергии Солнца, уже сегодня экономически оправдано. Важным условием развития распределенного производства энергии и энергоснабжения локальных потребителей - это рассредоточенное строительство когенерационных электростанций малой мощности (30 кВт - 3МВт) с использованием имеющихся на местах возобновляемых энергоресурсов, замена всех газовых котельных на когенерационные энергетические установки, в том числе на базе ВИЭ.
В этой области энергетики еще только складываются основные термины и понятия, происходит разграничение объектов малой энергетики по типу вырабатываемого энергоресурса и мощности. Тем не менее, работы в этом направлении развиваются достаточно интенсивно во всем мире и в России, в том числе.
К настоящему времени в РФ решением Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям утверждена технологическая платформа «Малая распределенная энергетика» (ТП «МРЭ»). Организацией-координатором определено ЗАО «АПБЭ». Сформирован Координационный и Экспертный советы. Проведены две Всероссийские конференции «Развитие малой распределенной энергетики в России». Тем не менее, еще многие вопросы требуют тщательной разработки. Сформулирован ряд понятий, уточнение которых продолжается.
В самом общем виде распределенный энергетический ресурс может быть охарактеризован как совокупность генерирующих источников, которые могут быть распределены по всей распределительной сети, причем как со стороны потребителя, так и со стороны поставщика.
Под такое определение подпадают и так называемые микросети, концепция которых развивается в ВИЭСХ совместно с Каунасским технологическим университетом (Литва) [1-3]. Микросеть рассматривается как система взаимосвязанных и объединенных сетью объектов как генерирующих электроэнергию в сеть, так и потребляющих энергию из сети.
В последнее время для автономного энергоснабжения удаленных потребителей начали использовать комбинированные системы, основанные на использовании двух и более источников ВИЭ. Эти источники могут успешно дополнять друг друга, вследствие чего потребность в аккумулировании и использовании резервных источников энергоснабжения снижаются. Особенно эффективными автономные системы могут быть организованны при наличии исчерпывающей информации о потенциале различных ВИЭ в данной местности, конкретно на объекте.
Однако часто трудно на одном объекте, особенно если это небольшой крестьянский дом, реализовать энергосистемы на базе всех потенциально возможных источников. Кроме того, в большинстве случаев трудно сбалансировать соотношение по времени и мощности нагрузки и генерацию электроэнергии, поскольку источники генерации и потребители немногочисленны.
Значительно легче все эти проблемы устранить, если и число источников генерации, и число потребителей электроэнергии будет существенно больше, и они будут разнообразнее. Эти условия легко реализовать, если создать локальную микросеть [4].
Микросеть - это интегрированная энергетическая система небольшой мощности с распределенными генераторами и потребителями энергии.
В микросети можно реализовать широкую интеграцию локальных бестопливных
возобновляемых источников энергии, в первую очередь таких, как солнечная энергия.
Когда микросети соединены с централизованной электросетью, большого влияния на работу энергосистемы они оказать не могут, поскольку основная часть энергии производится и потребляется в пределах микросети. Здесь есть возможность установить цену на электроэнергию ниже рыночной, потому что в микросети нет огромной инфраструктуры, многочисленного персонала и больших расходов на энергоносители.
Локальные микросети являются быстро развивающейся областью энергетики. Они имеют целый ряд преимуществ перед традиционными способами генерирования и снабжения энергии. Как показано на рис. 1, в 2010-2016 годах имеет место и прогнозируется рост суммарной мощности микросетей на мировом рынке в 3-4,5 раза.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
5000 4500 4000 3500 3000 Я 2500 М2000 1500 1000 500 0
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Рис.1. Рост суммарной мощности микросетей на мировом рынке 2010-2016 г. Fig. 1. Growth of total capacity of microgrids in the world market of 2010-2016
С другой стороны, одной из стратегических задач сельской энергетики сегодня является снижение энергоемкости сельхозпроизводства на основе широкого использования новых прогрессивных технологий выработки и потребления энергетических ресурсов. Перспективным путем решения проблемы является расширение масштабов использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Кроме экономии традиционных энергоресурсов, использование ВИЭ открывает возможности организации энергоснабжения удаленных, не соединенных с центральными сетями, объектов, в первую очередь сельскохозяйственного назначения.
При опережающих темпах роста малоэтажного строительства на селе, его доля во вновь возводимом жилье в ближайшие 10 лет может возрасти до 70%. При этом уже сегодня складывается тенденция строить поместья и усадьбы с большими наделами земли от 0,5 га и более. Особенностью такого строительства является возведение объектов, удаленных друг от друга настолько, что строительство внешних инженерных сетей, в первую очередь энергетических, становится экономически нецелесообразным. В этой ситуации актуальным становится организация автономного
энергоснабжения. Однако основные источники возобновляемой энергии - солнце и ветер непостоянны в своем проявлении, имеют иногда непрогнозируемые перерывы в поступлении энергии. Это требует создания мощных аккумулирующих систем и создания резервных источников энергоснабжения, что существенно удорожает создаваемые системы.
Существует много вариантов микросетей. Они могут работать не только автономно, но и параллельно с электросетью. Инновации в энергетике и электронике, в технологиях управления, информатике и связи создают
благоприятные условия для развития и совершенствования микросетей, их оптимального управления с поддержанием стандартных и стабильных параметров электроэнергии, несмотря на интеграцию источников нестабильной мощности, таких как ветряные (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС). В микросети легче осуществить балансирование мощностей и получить хорошее соотношение между генерирующими мощностями и объемом выработанной энергии. Здесь могут быть применены динамические резервные мощности и эффективные накопители энергии, в то время как в большой энергосистеме надо содержать дорогие и громоздкие резервные мощности.
Владеть микросетью и эксплуатировать ее могут владельцы жилых домов, предприятия, ЗАО, деревни, поселки и т.д. Здесь потребители энергии в то же время могут быть ее производителями, эксплуатирующими свои микроэлектростации или/и накопители энергии. Интеграция ВЭС, СЭС и других электростанций ВИЭ в микросеть встречает значительно меньше бюрократических препятствий, чем присоединение к электросети.
В настоящая время около 90% существующих электрических микросетей занимает площадь до 1 км2, а суммарная мощность генераторов энергии в одной такой микросети не превышает 1 МВт.
Хорошие перспективы для построения микросетей имеются в сельской местности, где доступ к местным первичным возобновляемым источникам энергии в меньшей степени ограничен по сравнению с урбанизированной местностью.
Рис. 2. Пример локальной микросети: ДВС-Г - двигатель внутреннего сгорания - генератор; АКБ -аккумуляторная батарея; ВЭС - ветряная ЭС; сЭс -солнечная ЭС; МГЭС - малая гидроэлектростанция (микрогидроэлектростанция); БГЭС - биогазовая электростанция; СУ - система управления Fig. 2. Example of local micro-network: ДВС-Г - internal combustion engine - generator; АКБ - storage battery; ВЭС -wind power station; СЭС - solar power station; МГЭС - small hydroelectric power station (micro-hydroelectric power station); БГЭС - biogas power station; СУ - control system
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Целесообразность внедрения микросетей
В микросети выработанная энергия в основном используется местными потребителями, что обеспечивает снижение потерь, связанных с передачей и распределением энергии по электрическим сетям.
Надежность снабжения электроэнергией в аварийных случаях разного рода в рамках микросети обеспечить существенно легче, чем в крупных энергетических системах.
Потребители энергии в микросети могут участвовать в процессе балансирования мощности путем регулирования своих нагрузок, генерируя, накопляя и отдавая электроэнергию в микросеть.
Сетевые инверторы солнечных и ветряных электростанций могут исполнять функцию компенсации реактивной энергии и поддерживать коэффициент мощности микросети на высоком уровне, что еще раз позволяет снизить потери, связанные с передачей электроэнергии.
Выбор генераторов энергии микросети
Проблема выбора первичных источников и генераторов энергии микросети и определение оптимального соотношения их мощностей решается на основе анализа следующих технических и экономических показателей:
- суточные, недельные, месячные и годовые графики потребления энергии;
- ресурсы местных возобновляемых и ископаемых источников энергии;
- стоимость производства энергии по выбираемым технологиям;
- необходимые емкости накопителей энергии;
- стоимость накопления и регенерирования энергии;
- динамические свойства генераторов энергии;
- динамические свойства накопителей энергии и др.
Накопители электроэнергии
Функции накопителей электроэнергии в микросетях и в энергосистеме:
- резервирование электростанций ВИЭ;
- интегрирование в сеть энергии электростанций ВИЭ;
- балансирование мощности;
- выравнивание нагрузки;
- пиковое генерирование энергии;
- улучшение качества энергии;
- стабильность бесперебойной передачи электроэнергии.
Применяемые технологии накопления электроэнергии:
- гидроаккумуляционные электростанции (ГАЭ);
- накопитель энергии на сжатом воздухе (НЭСВ);
- накопители энергии на маховиках (НЭМ);
- сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН);
- суперконденсаторы;
- электрохимические аккумуляторные батареи (свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, никель-метал-гидридные, литий-ионные);
- серно-натриевые батареи (№8-батареи);
- поточные батареи (ПБ);
- водородные накопители энергии (ВНЭ).
Основные параметры и области применения накопителей электроэнергии изложены в таблицах 13.
Таблица 1. Сравнение основных параметров НЭ Table 1. Comparison of main parameters of energy storages
Тип накопителя Типичная мощность, МВт Типичная накопленная энергия, МВт*ч Типичное время разряда
Электрохимические АКБ 0,001- 0,5 1-100 1-8 ч.
НЭМ 0,5 - 1 0,1-100 < 5 мин.
ГАЭ 100-4000 500-15 000 4-12 ч.
НЭСВ 25-3000 200-10 000 1-20 ч.
NaS-батареи 1 1 1 ч.
СПИН 0,01-10 0,01-1 1 - 30 мин.
Суперконденсаторы < 0,25 0,010 < 1 мин.
ПБ 0,1-10 1-100 10 ч.
ВНЭ 10 Без ограничений > 5 ч.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Таблица 2. Цели применения и технологии накопителей в электроэнергетике Table 2. Goals of application and technologies of storages in electric power industry
Цель применения Применяемые технологии накопителей
Улучшение качества энергии Суперконденсаторы, СПИН, НЭМ, электрохимические АКБ
Балансирование мощности в сети, выравнивание нагрузки ГАЭ, НЭСВ, ПБ, ЫаБ-батареи
Интегрирование в сеть электростанций ВИЭ НЭМ, ПБ, ЫаБ-батареи
Резервирование электростанций ВИЭ ГАЭ, СПИН, ПБ, ЫаБ-батареи
Пиковое генерирование энергии ГАЭ, СПИН, НЭМ, ПБ, ЫаБ-батареи
Стабильность передачи электроэнергии СПИН, ПБ, ЫаБ-батареи
Таблица 3. Параметры долговременных и кратковременных НЭ
Table 3. Parameters of long-term and short-term energy storages
Наименование параметра Технология накопления энергии
Долговременные накопители электроэне ргии Кратковременные накопители электроэнергии
ГАЭ Батареи НЭСВ Топливные элементы НЭМ Суперконденсаторы СПИН
Мощность (МВт) 100-3000 < 100 1003000 < 50 < 10 < 10 < 100
Энергия (МВт*ч) <10000 < 500 505000 - < 5 < 3 < 1000
КПД цикла 80 % 50-90 % 75 % 20-36 % 90% 90% 95%
Срок службы 40 лет 103-104 циклов 30 лет 104 часов 106 циклов 106 циклов 106 циклов
Цена (€/кВт*ч) 35-70 70-4000 10-70 - - - -
Цена (€/кВт) - - - - 140350 70-4000 200500
На Рис.3 приведён пример организации локальной микросети с применением вышеописанных компонентов.
СЕТЬ ЭНЕГОСИСТЕМЫ
, EL,"
НЕ
--
j) 'ЮМ га
(XilllHC
Рис.3. Пример организации локальной микросети БГУ - биогазовая установка; ДВС - двигатель внутреннего сгорания; Г - генератор; ПБ - поточная батарея; ЭЛ1, ЭЛ2 -
заряжаемые электролиты; Н1, Н2 - насосы ФЭМ1...ФЭМт -
фотоэлектрические модули; ВЭ1...ВЭт - ветряные электростанции; СГ1...СГт - синхронные генераторы; СУ -
система управления ЭС - электросчетчики Fig. 3. Example of local micro-grid organization. БГУ - biogas facility; ДВС - internal combustion engine; Г - generator; ПБ -line battery; ЭЛ1, ЭЛ2 - charged electrolytes; Н1, Н2 - pumps ФЭМ1...ФЭМт - photo-electric modules; ВЭ1...ВЭm - wind power stations; СП^С^ - synchronous generators; СУ -control system; ЭС - electric supply meters
Функции системы управления
Основные функции системы управления: в автономном режиме поддерживает баланс мощностей в микросети;
коммутирует генераторы и накопители энергии; управляет мощностью регулируемых источников энергии;
поддерживает стабильность напряжения в микросети;
поддерживает частоту напряжения микросети; обеспечивает сбор информации, необходимой потребителям для «умного» управления нагрузками.
Исключительно автономную микросеть целесообразно создавать в регионах с большим потенциалом ВИЭ. В этом случае необходимая емкость накопителей тепловой и электрической энергии должна рассчитываться с учетом длительности вероятных интервалов отсутствия поступления энергии. Система тепловой энергии может быть резервирована котлом и небольшим
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
запасом топлива, что на практике часто имеет место в каждом доме в сельской местности.
Выводы
Внедрение в практику микросетей представляется перспективным, поскольку с их помощью создаются благоприятные условия для широкого использования ВИЭ, а производителям и потребителям энергии обеспечивается возможность влиять на процесс оптимизации работы микросети с целью уменьшения стоимости энергии и повышения надежности энергоснабжения.
Эффективность их работы в основном определяется оптимальным выбором первичных источников и технологий производства энергии, накопителей энергии и эффективной работой системы управления.
Список литературы
1. Адомавичюс В.Б., Харченко В.В. Микросеть с ветроэлектростанциями для энергообеспечения
местных потребителей. Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. // Труды 7-й Международной научно-технической конференции (18-19 мая 2010 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ). Часть 4 "Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология", с.209-214.
2. Адомавичюс В.Б., Харченко В.В. Особенности и проблемы построения микросетей. // Труды 8-й Международной научно-технической конференции (16-17 мая 2012 года, г. Москва, ГНУ ВИЭСХ), Часть 5, с.50-57.
3. Адомавичюс В.Б., Харченко В.В., Чемеков В.В. Соотношение мощностей в гибридной солнечно-ветровой водонагревательной системе. // Труды 6-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, 2008 г., с.332-337.
4. Харченко В.В., Адомавичюс В.Б., Сычев А.О., Гусаров В. А Микросеть на основе ВИЭ для энергоснабжения сельских территорий. // Отраслевая конференция «Энергосбережение и энергоэффективность. Возобновляемые источники энергии» (16-17 октября, 2012, Краснодар).
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
