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

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  К_ИУМ 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 К_ИУМ 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 К_ИУМ 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 К_{ИУМ 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.[schema type=»book» name=»К ВОПРОСУ О ПЕРСПЕКТИВАХ И ПРОБЛЕМАХ РАЗВИТИЯ В РОССИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МИКРОСЕТЕЙ НА ОСНОВЕ ВЕТРОДИЗЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ» author=»Николаев Василий Владимирович, Харченко Валерий Владимирович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-26″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.01.2015_01(10)» ebook=»yes» ]