30 Янв

К ВОПРОСУ О ПЕРСПЕКТИВАХ И ПРОБЛЕМАХ РАЗВИТИЯ В РОССИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МИКРОСЕТЕЙ НА ОСНОВЕ ВЕТРОДИЗЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

В настоящее время одной из быстро развивающихся в мире технологий энергоснабжения являются энергетические микросети (МкС) [1, с. 12-20; 3, с. 72-76]. В общем случае МкС может объединять небольшие местные электрические, тепловые, газопроводные и другие энергоисточники и сети, которые имеют общее управление. Электрическая микросеть представляет собой локальную электрическую сеть распределенной генерации низкого и среднего напряжения с собственной выработкой электроэнергии на базе как традиционных энергоустановок: турбинных или поршневых газовых, дизельных электростанций (ДЭС), так и возобновляемых источников энергии (ВИЭ): фотоэлектрических и ветроэнергетических (ВЭУ) и других небольшой (до 5 МВт) мощности, а также накопителей электроэнергии разного типа, работающих под общим управлением по заданному графику нагрузки подключенных к МкС потребителей энергии.

МкС имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими способами генерирования, передачи и распределения энергии. В МкС может быть реализована широкая интеграция   местных ВИЭ, позволяющих производителям энергии экономить топливные энергетические ресурсы, снижая тем самым эксплуатационные расходы на их приобретение и доставку при существенном снижении уровней загрязнения окружающей среды. Выработанная в МкС энергия в основном используется местными потребителями, снижая потери на передачу и распределением энергии по электрическим сетям. При оптимальном выборе накопителей энергии в МкС можно добиться более высокого коэффициента использования генерирующих мощностей. В районах децентрализованного энергоснабжения локальные МкС представляются перспективным, а в изолированных зонах – единственно возможным способом повышения надежности электроснабжения и снижения себестоимости электроэнергии за счет использования ВИЭ и возможности оптимизации работы МкС.

Простейшими по составу, но важнейшими для удаленных от централизованных энергосетей территорий (более 65 % площади РФ) могут стать локальные МкС на базе ДЭС  и ветроэлектрической станции (ВЭС), состоящих из одного или нескольких ДГУ и ВЭУ, аккумулирующих энергию устройств (АкУ), силовой электроники и автоматизированной системы управления. Выбор ДГУ базовым компонентом локальных МкС обусловлен масштабом их использования в России (более 3 ГВт [5, с. 198]) для автономного электроснабжения, а использование ВЭС в составе МкС в северных и дальневосточных регионах России перспективно в связи с их богатыми ветровыми ресурсами, иллюстрируемой на рис. 1 картой распределения по территории РФ удельной мощности ветра, построенной авторами по методике НИЦ “АТМОГРАФ” [4, с. 502].

 

Рисунок 1. Распределение по территории России удельной мощности ветра (Вт/м2)

В соответствии с международными  критериями [5, с. 198], пригодными для практического использования являются районы со среднегодовым значением удельной мощности ветра (W, Вт/м2) более 400 Вт/м2 на высоте 50 м, а районы с ее значениями более 700 Вт/м2 считаются однозначно экономически эффективными для использования ВЭС даже в зонах централизованного энергоснабжения.

Большая часть территории российского Заполярья и прибрежных дальневосточных регионов (рис. 1) со значениями W ≥ 450 Вт/м2 соответствует принятым в мире критериям ресурсной обеспеченности ВЭС, работающих параллельно с сетью, а тем более с дорогими по себестоимости электроэнергии ДЭС.

Более достоверное представление об эффективности использования ВЭС дает приведенная на рис. 2 карта распределения по территории России значений  КИУМ ВЭУ V 44 600 кВт с высотой башни 50 м производства датской компании VESTAS, построенная авторами по методике работы [4, с. 502].

 

Рисунок 2. Распределение по территории коэффициента использования   номиальной мощности КИУМ (%) ВЭУ V 44 600 кВт с высотой башни 50 м

Согласно карте на рис. 2, характерные для современных ВЭУ значения КИУМ в большинстве заполярных и прибрежных дальневосточных регионов превышают значения 25 %, обеспечивая себестоимость выработки ВЭС менее 5 руб./кВт·ч даже при высоких удельных капзатратах на ВЭС (до 2500 долларов за кВт и более). При типичной для российских “северов” топливной составляющей выработки электроэнергии на ДЭС от 7 – 8 руб./кВт·ч и более, использование ВЭУ в составе ВДК экономически целесообразно. При ежегодном объеме “северного завоза” дизельного топлива для ДЭС порядка 2 млн тонн стоимостью более 80 млрд рублей экономия топлива при использовании ВДК с высоким уровнем замещения мощности ДГУ (до 100 %) и при 25–30 %-ном замещении выработки ДГУ может достигать 500–600 млн тонн и 20–30 млрд рублей.

Наиболее перспективным для РФ авторам представляются ВДК со средним и высоким уровнем замещения ДГУ с долей ВЭС по мощности (50 – 100 % и более 100 % соответственно) или по выработке (20 – 40 % и более 40 – 50 %).

Практический интерес представляют возможные и целесообразные масштабы использования в России МкС на базе ВДК. Эта оценка проведена авторами статьи с использованием следующих предположений и информации:

  1. Данные о численности малых (до 5000 жителей) населенных пунктов по административным субъектам РФ с децентрализованным или дефицитным (в электрифицированных регионах) энергоснабжением [6, с. 366] (табл. 1).
  2. Потребление электроэнергии в энергетически изолированных районах оценено из среднегодового расчета 1.6 кВт/чел. (среднее по России) и 2.25 кВт/чел. в максимуме, выпадающем, как правило, на зимний период.
  3. С учетом ресурсной обеспеченности территории России перспективными для эффективного использования МкС на базе ВДК считались 10 % малых населенных пунктов каждого административного субъекта. В качестве необходимого условия для обеспечения эффективности использования МкС на базе ВДК авторами принято минимальное пороговое значение КИУМ ВЭС в составе ВДК, равное 25 %.
  4. С учетом плотности сетевой структуры в районах централизованного энергоснабжения и обеспеченности ветровыми ресурсами [4, с. 502], перспективными для использования МкС считались 5 % от всех малых населенных пунктов каждого административного субъекта.

Проведенную в принятых предположениях оценку перспективных для России мощностей МкС на базе ВДК следует рассматривать как оценку “снизу” в связи с принятым весьма высоким требованием по КИУМ ВЭС ≥ 25 % и осторожной (заниженной при дальнейшем быстром росте цен на дизельное топливо) 10 %-ной оценкой общего числа потенциальных пользователей МкС в энергетически изолированных районах.

Таблица1.

Данные оценки востребованных в России объемов и мощностей МкС на базе ВДК

Средняя

годовая мощность МкС на душу населения =

1.6

кВт

Распре

деление населенных пунктов по численности населения

Число жителей в населенном пункте:  0 – 10  11 – 25 26 – 50 51– 100 101– 200 201– 500 501– 1000 1001–2000 2001–3000 3001–5000
Федеральный округ(ФО) РФ                      
Центральный ФО 0.05

.- доля потребляемых  мощностей  ФО,  покрываемая  МкС

Число населенных пунктов 1353 498 245 153 122 110 137 55 21 7 5
Численность населения 183463 2262 4106 5539 8761 15988 43930 37602 28920 15381 20972
Средняя нагрузка в ФО, МВт 295.4 3.64 6.61 8.9 14.1 25.7 70.7 60.5 46.6 24.8 33.8
Средняя нагрузка на МкС, кВт 218 17 27 58 116 234 517 1109 2191 3781 6253
Северо-Западный  ФО 0.1

.- доля потребляемых  мощностей  ФО,  покрываемая  МкС

Число населенных пунктов 1997 1041 389 185 128 97 95 33 14 10 6
Численность населения 155721 4628 6410 6589 9136 13775 29994 22766 19265 20377 22782
Средняя нагрузка в ФО, МВт 250.7 7.45 10.3 10.6 14.7 22.2 48.3 36.7 31.0 32.8 36.7
Средняя нагрузка на МкС, кВт 126 17 27 57 115 229 507 1124 2184 3417 6113
Южный  ФО 0.05

.- доля потребляемых  мощностей  ФО,  покрываемая  МкС

Число населенных пунктов 41 2 2 3 5 6 9 8 4 1 1
Численность населения 21609 10 42 115 345 899 2860 6143 4999 3203 2993
Средняя нагрузка в ФО, МВт 34.8 0.02 0.07 0.19 0.55 1.45 4.60 9.9 8.0 5.2 4.8
Средняя нагрузка на МкС, кВт 852 17 28 60 123 232 539 1170 2175 3820 6023
Северо-Кавказский ФО 0.05

.- доля потребляемых  мощностей  ФО,  покрываемая  МкС

Число населенных пунктов 113 3 3 6 7 13 26 20 18 8 9
Численность населения 103935 17 58 213 540 1940 8717 14330 26498 18408 33214
Средняя нагрузка в ФО, МВт 167.3 0.03 0.09 0.34 0.87 3.12 14.0 23.1 42.7 29.6 53.5
Средняя нагрузка на МкС, кВт 1483 18 27 60 118 246 548 1148 2331 3900 6182
Приволжский  ФО 0.05

.- доля потребляемых  мощностей  ФО,  покрываемая  МкС

Число населенных пунктов 1349 249 165 146 179 204 265 111 20 5 5
Численность населения 270848 1150 2822 5418 13108 29713 85732 75472 27315 10145 19973
Средняя нагрузка в ФО, МВт 436.1 1.85 4.5 8.7 21.1 47.8 138.0 121.5 44.0 16.3 32.2
Средняя нагрузка на МкС, кВт 323 17 28 60 118 234 521 1097 2177 3590 6305
Уральский  ФО 0.1

.- доля потребляемых  мощностей  ФО,  покрываемая  МкС

Число населенных пунктов 553 41 41 50 79 97 129 67 31 9 8
Численность населения 205823 204 721 1904 5877 14319 41701 46831 42695 20429 31142
Средняя нагрузка в ФО, МВт 331.4 0.33 1.16 3.06 9.5 23.1 67.1 75.4 68.7 32.9 50.1
Средняя нагрузка на МкС, кВт 600 17 28 61 120 237 519 1119 2225 3825 6267
Сибирский ФО 0.1

.- доля потребляемых  мощностей  ФО,  покрываемая  МкС

Число населенных пунктов 663 41 33 47 83 124 164 104 48 11 8
Численность населения 274162 204 581 1775 6259 18173 52777 73390 64348 23547 33110
Средняя нагрузка в ФО, МВт 441.4 0.33 0.93 2.86 10.1 29.3 85.0 118.2 103.6 37.9 53.3
Средняя нагрузка на МкС, кВт 666 17 29 61 121 235 518 1142 2145 3576 6423
Дальневосточный  ФО 0.1

.- доля потребляемых  мощностей  ФО,  покрываемая  МкС

Число населенных пунктов 141 11 8 9 13 19 32 24 13 9 5
Численность населения 85653 45 131 339 956 2735 10713 16906 17781 14812 21236
Средняя нагрузка в ФО, МВт 137.9 0.07 0.21 0.55 1.54 4.40 17.2 27.2 28.6 23.8 34.2
Средняя нагрузка на МкС, кВт 980 16.7 27.1 59.9 123 237 542 1144 2272 2805 6331
ИТОГО по России    
Число населенных пунктов 6209 1887 887 599 615 670 856 421 169 57 48
Численность населения 1301214 8521 14871 21890 44981 97542 276424 293440 231820 126303 185422
Средняя нагрузка, МВт 2095 13.7 23.9 35.2 72.4 157 445 472 373 203 299
Средняя нагрузка на МкС, кВт 337 7.3 27.0 58.8 118 234 520 1122 2203 3546 6265

Согласно проведенным оценкам, суммарная мощность экономически эффективных для России МкС на базе ВДК превышает 2 ГВт. Количество потенциальных их пользователей превышает 1.3 млн человек, проживающих более чем в шести тысячах населенных пунктов России.

Важным в плане создания российской индустрии и рынка МкС является фрагментация и количественная оценка (и, по возможности, установление примерной линейки) компонент МкС (ДГУ и ВЭУ) наиболее востребованных мощностей. Такие оценки проведены авторами в следующих предположениях:

  1. Номинальные мощности базовых для МкС двух, трех или четырех ДГУ должны покрывать потребляемые мощности, соответствующие верхним границам градаций табл. 1. Комплектация МкС минимум двумя равными по мощности ДГУ выбрана из соображений необходимости резервирования, взаимозаменяемости и с учетом типичной для большинства регионов России амплитуды годового и суточного хода среднего потребления энергии, составляющей 1.5 – 2 раза.
  2. Значения номинальных мощностей базовых для ВДК двух и более ВЭУ должны составлять 75 – 80 % номинальных мощностей базовых ДГУ. Это условие обеспечивает допустимые режимы работы (не менее 40 % от номинальной мощности) одного ДГУ (при отключении второго или остальных).

Обобщенные результаты таких оценок авторов приведены в таблице 2.

Таблица2.

Данные оценки ДГУ и ВЭУ наиболее востребованных в России мощностей МкС

Мощность МкС (макс./средн.)

1.4

   Распределение населенных пунктов по численности населения

Число жителей в населенном пункте : 0 – 10 11 – 25 26 – 50 51–100 101–200 201–500 501–1000 1001–2000 2001–3000 3001–5000
Требуемая мощность МкС, кВт 10 38 82 165 328 728 1570 3084 4964 8771
Достаточный состав ДГУ

(шт. х номинал)

  2 х 12 2  х 30 2  х 60 2 х 130 2 х 250 2 х

600

2 х 1200 3500+

1200

2 х 3500 3 х 3500
                       
Целесообразный состав ВЭУ

(кол-во х номинал)

  2 х 10 2 х  25 2 х  50 2 х 100 2 х 225 2 х

500

3 х 500 3 х 1500 4 х 1500 6 х 1500

Линейный ряд нужной мощности ДГУ, кВт 12 30 60 130 250 600 1200 3500
Потребное количество ДГУ, шт. 5661 1773 1198 1229 1341 1712 1012 1017
Линейный ряд нужной мощности ВЭУ, кВт 10 25 50 100 225 500 1500
Потребное количество ВЭУ, шт. 5661 1773 1198 1229 1341 2976 1024

Согласно проведенному анализу, оцененные потенциально востребованные в России мощности МкС могут быть обеспечены комбинацией ДГУ не более восьми типовых мощностей от 12 до 3500 кВт и комбинацией ВЭУ не более семи типовых мощностей от 10 – 12 до 1500 кВт.

Потенциальный объем рынка ДГУ и ВЭУ каждого из установленных и приведенных в табл. 2 типоразмера превышает 1200 единиц, а количество наиболее востребованных по мнению авторов ДГУ и ВЭУ мощностей порядка 600 и 500 кВт соответственно близко к двум и трем тысячам.

В заключении остановимся на проблемах и задачах при организации индустрии и рынка несомненно целесообразных для России МкС на базе ВДК и необходимых условиях и этапах их решения.

  1. Консультационное обеспечение и предпроектные разработки на уровне технико-экономического обоснования инвестиций (предТЭО) проектов МкС. Важнейшей составляющей этого этапа является достоверное определение ВЭП и располагаемой мощности ВЭУ, рассматриваемых в качестве базовых. Ввиду больших временных и материальных затрат на реализацию зарубежных экспериментальных методик определения ВЭП, особое значение приобретает разработка отечественных теоретических методик, в которой имеется значительный прогресс [4, с. 502; 2, с. 33-39].
  2. Создание проектировочной базы МкС (разработка методик, воспитание квалифицированных проектировщиков, аккредитация проектных организаций), учитывающей специфику, возможности отечественного производства и мирового рынка. Важнейшей составляющей проектирования является оптимальный выбор состава МкС и типоразмеров ДГУ и ВЭУ, определяемый ресурсными, техническими и компоновочными решениями. Не менее важным является также подбор производителей и поставщиков оборудованию.
  3. Кадровое обеспечение новой перспективной для России отрасли МкС, в первую очередь специалистами по ВЭУ и ветроэнергетическим технологиям. Количество таких специалистов должно составлять не менее 6 тысяч.
  4. Создание квалифицированных организаций для производства строительно-монтажных работ МкС, укомплектованных необходимой техникой и специалистами.
  5. Организация масштабных региональных эксплуатационно-ремонтных инфраструктур для обслуживания МкС.
  6. Организация отечественного производства МкС и их элементов (ДГУ, ВЭУ, аккумулирующих устройств, систем управления) в целях повышения безопасности и надежности энергоснабжения, создания рабочих мест и стимулирования технологического развития страны.
  7. Важнейшим условием создания и развития российской отрасли МкС является разработка и принятие их правовой и нормативной базы, обеспечивающих экономическую поддержку новой отрасли и технически эффективное ее развитие.

Список литературы:

  1. Адомавичюс В.Б., Харченко В.В., Гусаров В.А. Возможности повышения экономической эффективности микросетей на основе ВИЭ // Малая Энергетика. 2014. N 1/2. С. 12 – 20.
  2. Ганага С.В., Николаев В.В. О необходимости обновления атласа ветров России // Малая энергетика. 2013. N 1/2. С. 33 – 39.
  3. Гусаров В.А., Стребков Д.С., Харченко В.В. Энергоснабжение сельских территорий с помощью микросетей на основе возобновляемых источников энергии // Энергетика и автоматика. 2013. N С. 72 – 76.
  4. Николаев В.Г. Ресурсное и технико-экономическое обоснование широкомасштабного развития и использования ветроэнергетики в России. Москва: Изд-во Атмограф, 2011.
  5. Концепции развития электроэнергетической и теплоснабжающей инфраструктуры в Российской Федерации на основе когенерации и распределенной энергетики. Москва: Изд-во Агентство по прогнозированию балансов в элекроэнергетике, 2012.
  6. Регионы России. Социально-экономические показатели / под ред. М.А. Дианова. Изд-во Росстат. – М. Москва, 2011.
    К ВОПРОСУ О ПЕРСПЕКТИВАХ И ПРОБЛЕМАХ РАЗВИТИЯ В РОССИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МИКРОСЕТЕЙ НА ОСНОВЕ ВЕТРОДИЗЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ
    Written by: Николаев Василий Владимирович, Харченко Валерий Владимирович
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 05/26/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.01.2015_01(10)
    Available in: Ebook