Актуальность задачи аккумуляции энергии.
ВВЕДЕНИЕ
С каждым годом все больше обостряются вопросы, связанные с дальнейшими путями развития энергетики. С одной стороны, рост населения, стремление к повышению жизненного уровня людей диктуют целесообразность наращивания мощностей энергетики, и в первую очередь электроэнергетики, причем, просто гигантскими темпами; с другой стороны, возникающие экологические проблемы, истощение природных источников сырья, и, в первую очередь, нефти и газа, требуют более экономичного и рационального использования полученной энергии и потенциальной энергии ее источников. Диалектика жизни повернула нас лицом к источникам возобновляемой энергии, природа которых определяется процессами на Солнце и в глубинах Земли, гравитационным взаимодействием Солнца, Земли и Луны. По оценкам специалистов оказалось, что только за счёт извлечения доступной части энергии, постоянно возобновляющейся в Мировом океане путём образования градиентов температур и солёностей, волн, течений, приливов, можно получать примерно в 10 раз больше энергии, чем сейчас дают ежегодно «сжигаемые» 10 млрд. т условного топлива. Возобновляемые источники энергии привлекают своей относительной экологической чистотой, принципиальной возможностью создать на планете общество, живущее в равновесии со средой, возможностью распределения преобразователей самого различного масштаба и назначения по всей планете. В перспективе это позволит даже управлять климатом, что немаловажно, если учесть энергозатраты, идущие на преодоление последствий стихийных бедствий, на отопление жилищ, на получение пищи. Но чтобы использование возобновляемой энергии вышло на требуемый уровень, необходимо совершить революцию в наших представлениях о соответствующих источниках, создать в обществе предпосылки к широкому внедрению соответствующих устройств, подготовить специалистов, которые могли бы разрабатывать такие устройства и правильно эксплуатировать их. Потребность в освоении и развитии энергетики на возобновляемых ресурсах становится всё более очевидной при возрастающем спросе на топливо, особенно на нефть, росте населения и требований к уровню жизни, особенно в развивающихся странах.
К серьезным недостаткам ВИЭ, ограничивающим их широкое практическое применение, относятся невысокая плотность энергетических потоков и их непостоянство во времени и, как следствие этого, необходимость значительных затрат на оборудование, обеспечивающее сбор, аккумулирование и преобразование энергии.
Вместе с тем технологии использования различных ВИЭ активно развиваются во многих странах мира, многие из них достигли коммерческой зрелости и успешно конкурируют на рынке энергетических услуг, в том числе при производстве электрической и тепловой энергии. [5]
В мировом масштабе начиная с 2010 г. прогнозируется интенсивное снижение потребления углеводородных источников энергии, которое будет компенсироваться за счет ВИЭ, доля которых в общем энергобалансе достигнет к 2050 г. величины 50 % [7].
Ещё один путь экономии энергетических ресурсов связан с повышением эффективности использования энергии у потребителей – в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту. Здесь имеются огромные резервы, использование которых позволяет экономить энергоресурсы зачастую при значительно меньших затратах, чем в процессах получения и преобразования первичной энергии. Установлено, например, что затраты на любые мероприятия по экономии топлива и электроэнергии в 2-3 раза ниже затрат на расширение топливно-энергетической базы. К мероприятиям по повышению эффективности использования энергии у потребителей можно отнести переход на более совершенные и менее энергоёмкие технологии, использование вторичных энергетических ресурсов и, наконец, выравнивание временных несоответствий между производимой энергией и потребностями в них посредством аккумулирования энергии. Если такие несоответствия вызываются изменениями (более менее резкими) в потреблении энергии, то это задача снятия пиковой нагрузки, которая может быть решена, хотя бы частично, с помощью аккумулирования энергии. Установка для аккумулирования энергии может оказаться дешевле пиковой энергетической установки. Кроме того, при её применении могут быть снижены затраты на топливо (несмотря на некоторые потери в аккумуляторе), так как для зарядки аккумулятора может быть использован избыток энергии от установок базисной нагрузки с низкой стоимостью топлива.
Если несоответствия между подачей и потребностями в энергии обусловлены видом источника первичной энергии и установки для преобразования энергии, то задача аккумулирующей установки состоит в выравнивании выработки энергии путём срезания пиков и заполнения провалов выработки. Известно, что мощность некоторых первичных источников энергии подвержена периодичности (солнечные энергетические установки и гидроаккумулирующие электростанции), или случайным изменениям (ветро-, гидро- и солнечные энергетические установки).
К другим задачам аккумулирования энергии относятся:
- обеспечение резерва в случае внезапного прекращения работы установок, особенно на период запуска резервных установок;
- регулирование или буферное аккумулирование при высоких амплитудах изменения нагрузки, что позволяет покрывать нагрузку при небольших градиентах изменения мощности первичного источника энергии;
- аккумулирование энергии вблизи мест её потребления с тем, чтобы уменьшить пики нагрузки и стоимость системы энергоснабжения не только в части преобразования энергии, но и в распределительной сети [4].
Создание децентрализованных гибридных систем энергообеспечения потребителей с использованием возобновляемых источников энергии и применением аккумуляции – задача непростая, требующая тщательного эколого-экономического обоснования с учетом экономического потенциала традиционных и возобновляемых энергетических ресурсов в районе строительства объекта, климатических и метеоусловий, влияющих на потребность в различных видах энергии и эффективность использования ВИЭ.
Основные понятия и определения
Возобновляемые источники энергии – это источники на основе постоянно действующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Отличительным признаком возобновляемой энергии является то, что присутствует в окружающей среде в виде энергии, не являющейся следствием целенаправленной деятельности человека.
Невозобновляемые источники энергии – это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников, в отличие от возобновляемых, находится в природе в связанно состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека [2].
В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН (1978 г) к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков [3]. Классификация НВИЭ представлена в таблице в Приложении 1.
Тепловое аккумулирование – это физические или химические процессы, посредством которых происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии (ТАЭ).
Актуальность задачи аккумуляции энергии.
Неравномерность потребления электроэнергии в течение суток – одна из основных проблем электроэнергетики (Рис. 1). Электроэнергия используется в тот же момент, когда она вырабатывается, в силу чего возникает необходимость то включать, то выключать генерирующие мощности. Такой режим заметно увеличивает как скорость износа генерирующего оборудования, так и расход топлива (каждый пуск энергоблока требует дополнительных затрат топлива). Помимо этого не всегда существует технологическая возможность быстрого пуска‐остановки генерирующего объекта.
Рис. №№. Типовая динамика потребления мощности (качественная)
Вышеперечисленные проблемы приводят к установлению существенно большей стоимости электроэнергии в часы пиковой нагрузки в энергосистеме и в конечном итоге – к более высокой среднесуточной цене на электроэнергию для конечного потребителя. Так, стоимость электроэнергии в пиковые часы в различных странах мира может превышать стоимость электроэнергии в часы базовой нагрузки более чем в 7 раз.
Возможность разнести во времени производство и потребление электроэнергии путем ее накопления в больших масштабах – один из наиболее эффективных путей решения проблемы покрытия пиков потребления.
Наиболее распространенными системами накопления электроэнергии на текущий момент являются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Их действие основано на цикличном перемещении одного и того же объема воды между двумя бассейнами (бьефами), разнесенными по высоте. Для аккумулирования энергии вода закачивается в верхний бьеф. Для выдачи
энергии вода сливается в нижний бьеф через гидротурбину с генератором (Рис. 2). Однако возможности по применению ГАЭС ограничены географическими аспектами: необходимы бассейны большой емкости, разнесенные по высоте на 50‐100 метров.
Рис. №№. Пример использования накопителя энергии для покрытия дневных пиков потребления
В последние годы для целей накопления больших объемов энергии стали применяться новые технологии: электрохимические аккумуляторы, инерционные аккумуляторы (маховики), тепловые аккумуляторы, аккумуляторы, основанные на принципе сжатия воздуха и другие. Хотя доля новых технологий в общей установленной мощности накопительных систем в мире пока невелика (около 1,5% от общей установленной мощности), стоит ожидать роста рынка «новых накопителей» с улучшением и удешевлением технологий. Уже сейчас можно выделить ряд тенденций, которые, вероятно, повлияют на развитие применения накопителей энергии:
1. Тенденции по увеличению эффективности использования энергоресурсов и развитию интеллектуальных сетей (Smart Grids). Применение накопителей позволяет экономить как первичные энергоресурсы, сглаживая профиль загрузки генерирующих мощностей, так и ресурс электросетевого оборудования, снижая пиковую нагрузку на подстанции.
2. Развитие ВИЭ (солнечных и ветровых электростанций). В случае большой доли ВИЭ в энергосистеме (более 10%), различия суточных графиков выработки электроэнергии источниками, использующими ВИЭ, и ее потребления потребуют дополнительного согласования, которое может быть реализовано за счет систем накопления энергии.
3. Ужесточение экологических норм (требований) при строительстве зданийотносительно аварийных источников электроэнергии (не всегда есть возможностьиспользовать дизельные генераторы).
Применение систем накопления электроэнергии привлекательно с экологической точки зрения. Так, использование накопителей для сглаживания пиковых нагрузок уменьшает суммарные выбросы вредных веществ в атмосферу за счет снижения расхода топлива, а использование накопителей в качестве аварийных источников питания позволяет отказаться от дизельных генераторов (уменьшить шум и сократить выбросы в атмосферу продуктов сгорания).
В настоящий момент установленная мощность накопителей энергии в мире составляет около 122 ГВт, из них на ГАЭС приходится почти 99%.
Согласно данным экспертов, по итогам 2010 года объем рынка накопителей электроэнергии, подключенных к электросети, составит около $1,5 млрд.
Ожидается, что в ближайшие 10 лет рынок будет расти со среднегодовыми темпами около 37% и достигнет $35 млрд. к 2020 году.
На рост рынка окажут существенное влияние расширение использования новых технологий, раскрывающих преимущества накопителей (smart grids и ВИЭ), и рост цен на топливо. Однако пока основным двигателем рынка накопителей является государственная поддержка. Например, в штате Калифорния (США) в 2010 году было законодательно закреплено обязательство для генерирующих компаний покрывать долю пиковой нагрузки за счет мощности накопителей энергии, к 2014 году указанная доля должна составить 2,25%, к 2020 году – 5% (California Assembly Bill No. 2514).
Доля России в общей установленной мощности накопителей составляет около 1% (Загорская ГАЭС). Но уже сейчас ряд участников электроэнергетической отрасли России проявляет интерес к теме накопления энергии. Так, ОАО «ФСК ЕЭС» заключило меморандум с американским производителем накопителей энергии Ener1 Inc., на основании которого компании изучат возможность применения систем накопления энергии в электросетевом комплексе ОАО «ФСК ЕЭС».
В ОАО «РусГидро» проект по изучению возможностей применения накопителей энергии включен в перечень приоритетных инновационных проектов компании.
На текущий момент наиболее экономически оправданными направлениями применения систем накопления энергии в России являются:
1) накопление электроэнергии в технологически изолированных энергосистемах, в том числе совмещенное с использованием ВИЭ, с целью снижения потребления топлива;
2) использование передвижных систем накопления электроэнергии для сетевых компаний, позволяющее отсрочить инвестиции в сетевые активы на определенный период;
3) использование накопителей энергии в качестве резервных источников электроэнергии для объектов, предъявляющих повышенные требования к надежности поставки электроэнергии.
К основным факторам, сдерживающим развитие накопительных систем в России, относятся:
1. Стоимость накопителей(до $6 тыс. за 1 кВт установленной мощности).
Использование накопителей обеспечивает экономию первичных энергоресурсов.
Газ, уголь, прочие виды топлива и сама электроэнергия в России пока достаточно дешевые, поэтому при текущих ценах на накопители энергии их применение не всегда экономически оправдано.
2. Нормативно-правовая неопределенностьиспользования накопителей энергиив энергосистеме. Взаимоотношения на оптовом рынке электроэнергиии мощности (ОРЭМ) выстраиваются относительно мощности генерирующихобъектов, накопители таковыми не являются. Поэтому, по всей видимости,при текущем законодательстве поставщик ОРЭМ, использующий накопительэнергии, должен иметь генерирующую мощность, замещающую его(накопитель).
Таким образом, для масштабного развития применения накопителей энергии в энергетике России, помимо удешевления самих накопителей, необходимо внесение корректировок в действующие нормативно‐правовые акты. [Источник: http://www.branan.ru]