Проблемы системной интеграции ВИЭ в существующие энергосистемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Азербайджанский Государственный Университет Нефти и Промышленности

ПРОБЛЕМЫ СИСТЕМНОЙ ИНТЕГРАЦИИ ВИЭ В СУЩЕСТВУЮЩИЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

Мирзоев Р.К., Гейдаров А.О.

Буллаева Ш.А.

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы интеграции возобновляемых источников энергии в энергосистему, перечислены проблемы возникающие при этом, на основе анализа существующих в мире технологий предлагаются решения этих проблем.

Ключевые слова: альтернативные источники энергии, интеграция ВИЭ в существующие энергосистемы.

Abstract

Mirzoev R. K., Heydarov A.O., Bulaeva S.A.

Ansaldo Energia Group Azarbaycan Azerbaijan State University Oil and Industry

PROBLEMS OF SYSTEM INTEGRATION OF RENEWABLE ENERGY SOURCES INTO EXISTING ENERGY SYSTEMS

The article examines the issues of integrating renewable energy sources into the energy system, lists the problems that arise in this case, and based on the analysis of existing technologies in the world, solutions to these problems are proposed.

Keywords: alternative energy sources, integration of renewable energy sources into existing energy systems.

Основная часть

Увеличение доли генерации на основе ветра и солнца в структуре электроэнергетики ставит определенные вопросы перед управляющими энергетическими структурами. Каким образом возрастающая доля нестабильных потоков энергии может быть безопасно интегрирована в сеть с наименьшими потерями электроэнергии и без ущерба надежности системы?

Не сегодняшний день накоплено уже большое количество эмпирических данных, касающихся управления энергетическими системами в условиях высокой доли ВИЭ. Доля альтернативных источников энергии в мировой энергетике растет, и это создает определенные вызовы для управления отраслью, поскольку генерация на основе солнца и ветра имеет «прерывистый» и непредсказуемый характер.

В то же время вопросы интеграции в энергетическую систему нестабильных возобновляемых источников энергии глубоко изучены и основательно проработаны. Накоплен и описан богатый практический опыт использования ВИЭ в разных государствах. Общие принципы обращения с ними составлены и подробно сформулированы.

Поэтому при обсуждении перспектив и вопросов планирования развития энергетики желательно обращаться к этому опыту, который, в том числе, обобщен и в рассмотренных документах Международного энергетического агентства.

Данная статья посвящена анализу материалов, основанных на рассмотрении проблем, возникающих при внедрении возобновляемых источников энергии в энергосистемы. В данной работе, на основе обзора существующих моделей систем с различным соотношением доли ВИЭ, предлагаются решения, позволяющие оптимально интегрировать переменчивую генерацию на основе солнца и ветра в сетевое хозяйство. Для энергетической системы Азербайджана эти вопросы являются наиболее актуальными т.к. она является страной с огромным потенциалом для развития возобновляемых источников энергии. Несмотря на то, что доходы от экспорта энергоносителей составляют значительную долю государственного бюджета страны, модель национальной экономики Азербайджана предполагает ориентацию на развитие ненефтяного сектора, создание благоприятного инвестиционного климата для увеличения доли ВИЭ в энергобалансе с существующих 18% до 30-% в 2030 году [1]. Альтернативная энергетика выступает катализатором технологических инноваций и представляет собой энергетическую платформу, обеспечивающую развитие фундаментальных исследований, внедрение современных технологий, а также создание новых рабочих мест. Развитие ВИЭ способствует также достижению климатических целей, так в соответствии с Парижским соглашением Азербайджан взял на себя обязательства по сокращению выбросов парниковых газов на 35% к 2030 г. Альтернативная энергетика отвечает основным целям устойчивого развития Азербайджана, способствует снижению зависимости от энергоресурсов, позволит увеличить долю ненефтяного сектора экономики в ВВП страны, а также способствует улучшению экологической обстановки и сокращению выбросов парниковых газов. Развитие солнечной, ветровой и гидроэнергетики в сочетании с использованием традиционных источников энергии обеспечит системный подход, сочетающий в себе высокие технологии и способы современного управления, что является приоритетным направлением, проводимой постнефтяной политики Президента Ильхама Алиева. возобновляемый источник энергия генерация

По данным Министерства экологии и природных ресурсов Азербайджана потенциал развития альтернативной энергетики превышает 27.7 тыс. МВт, что в будущем позволит вырабатывать 62.8 млрд кВт-ч электроэнергии в год. Основная доля потенциала ВИЭ в Азербайджане приходится на солнечную энергию - 23040 МВт, ветровую энергию - 3000 МВт, потенциал геотермальной энергии составляет более 800 МВт, малых ГЭС -520 МВт, биомассы380 МВт. По данным Министерства энергетики АР, вследствие индустриализации и роста населения, за последние 10 лет потребление электроэнергии в Азербайджане увеличилось на 26 %, по прогнозам такая динамика сохраниться и к 2025 году составит 25 -28 млрд. кВт-ч [2].

На сегодняшний день в мире в основном выделяются четыре стадии интеграции ВИЭ, каждая из которых имеет свои специфические характеристики. Рассмотрим их подробно [3, 4].

На первом этапе интеграции возобновляемые источники энергии не оказывают заметного влияния на сеть. Нестабильная генерация ветряных и солнечных электростанций воспринимается здесь как ежедневные изменения спроса на электроэнергию. В этих странах доля солнечных и ветровых электростанций в совокупности не превышает 3% в годовом производстве электроэнергии.

На втором этапе интеграции ВИЭ начинают серьезно влиять на работу системы, но данное влияние регулируется относительно просто путем усовершенствования некоторых практических методов управления сетевым хозяйством, например, с помощью умного прогнозирования выработки энергии на солнечных и ветряных электростанциях. В этих странах доля ВИЭ в годовой генерации составляет от 3% до 15%.

На третьем этапе интеграции возникают существенные вызовы для энергосистемы, где влияние ВИЭ ощущается как на уровне системы в целом, так и на работе других «традиционных» электростанций. Здесь на первое место выходит гибкость энергосистемы - её способность реагировать на изменение баланса между спросом и предложением. Два главных гибких ресурса этой стадии: маневренные электростанции и сеть, но уже начинает повышаться значение управления спросом и новыми технологиями накопления энергии. Это страны где доля ВИЭ составляет от 15% до 25%.

4) На четвертой стадии находятся Ирландия и Дания с долей ВИЭ генерации в 25%-50% годовой выработки и с её кратковременными повышениями до 100 процентов суточного потребления. Здесь вызовы носят, в терминах МЭА, «высокотехнологический» и «менее интуитивный» характер. На четвертой стадии требуется еще большая гибкость системы, её способность к самовосстановлению после резких и объемных колебаний выработки энергии на ВИЭ.

МЭА отмечает, что на четвертой стадии развитие не останавливается. Можно выделить и пятую и шестую стадии, для которых доля ВИЭ в среднегодовых объемах, превышает 50%, и в этих случаях для избежания искусственного ограничения выработки требуется электрификация других секторов потребления энергии (теплоснабжение, транспорт).

В условиях тотального доминирования переменчивых ВИЭ (шестая стадия) необходимым становится преобразование электроэнергии в химические вещества (синтетические газы, например, метан и водород).

Рассмотрим некоторые проблемы, с которыми сталкиваются энергетические системы при внедрении ВИЭ:

1. Сильные колебания выработки энергии на солнечных и ветряных электростанциях.

Физическая природа электроэнергии подразумевает, что производство и потребление должны быть в гармонии. В каждый момент времени должен быть сохранён баланс между произведённой и потребляемой энергиями. Функционирование системы в любой момент времени должно гарантировать это, при всех возможных условиях эксплуатации, включая непредвиденные события, отказы оборудования и нормальные колебания спроса и предложения. Эта задача еще больше усложняется тем фактом, что в настоящее время хранение электроэнергии в больших количествах не представляется возможным.

Однако, как показывает опыт эксплуатации многих стран [3,5] проблемы, возникающие с связи с колебанием производства ветровой и солнечной энергии, меняются в зависимости от доли ВИЭ в общем объёме произведённой энергии. В частности, управление технической эксплуатацией энергосистем при низкой доле ВИЭ (обычно порядка 5-10% годового производства), не представляет собой серьезной проблемы. Важная причина этого заключается в том, что проблемы, сопровождающие интеграцию ветровой и солнечной фотоэлектрической энергии, по большей части не новы для эксплуатации энергосистем, т.к. спрос на электроэнергию сам по себе является переменным и не может быть предсказан с идеальной точностью. Кроме того, и на обычных электростанциях могут возникают непредвиденные отключения. На втором этапе, когда доля ВИЭ составляет 3-15%, краткосрочные колебания генерации установок, расположенных в разных местах, «компенсируют» друг друга. При этом переменчивость ВИЭ заставляет остальные электростанции пересматривать модели деятельности, опыт показывает, что традиционные электростанции технически способны к более «гибкой» работе без существенного увеличения общей стоимости энергосистемы. Использование прогнозов выработки ВИЭ и корректировка графиков выработки в режиме реального времени являются недорогими и эффективными инструментами для смягчения неблагоприятных воздействий. Вопрос - в способности, умении участников энергетического рынка внедрять и применять данные инструменты. На третьем этапе, когда доля ВИЭ превышает 15% от годовой выработки, а также дальнейших стадиях уже требуется глубокая перестройка работы энергосистемы и внедрение новых средств и инструментов для поддержания работы энергосистемы.

2. Для развития ВИЭ необходимы накопители энергии.

Накопители не нужны на начальных стадиях развития ВИЭ и при разветвленном и эффективно управляемом сетевом хозяйстве. Немецкий опыт показывает, что сети с долей переменчивых ВИЭ в потоках электроэнергии на уровне 50% в год могут нормально функционировать без каких-либо дополнительных накопителей. Накопители - лишь один из инструментов повышения гибкости энергосистемы. Говорить именно о том, что в системе необходимы накопители для её бесперебойной работы можно лишь применительно к энергосистемам с крайне высокой долей ВИЭ, далеко превышающей 50%.

Ключом к интеграции ВИЭ является гибкость. В самом широком смысле гибкость энергосистемы означает уровень развития, при котором энергосистема может адаптировать модели производства и потребления электроэнергии для поддержания баланса между спросом и предложением экономически эффективными способами. В более узком смысле гибкость энергосистемы означает, в какой степени генерация может быть увеличена или уменьшена в течение периода времени от нескольких минут до нескольких часов в ответ на ожидаемую изменчивость спроса. Гибкость выражает способность энергосистемы поддерживать непрерывное функционирование в условиях быстрых и значительных колебаний спроса или предложения, независимо от причины.

Гибкость варьируется в зависимости от природных ресурсов: в одном случае гибкость может обеспечиваться за счёт гидроэлектростанций, в другом случае за счёт модульных электростанций, работающих на газе, способных за очень короткое время увеличивать и уменьшать генерацию энергии.

Электростанция более гибкая, если она может: 1) начать производство в кратчайшие сроки; 2) работает на широком диапазоне различных уровней генерации;

Гибкости также может способствовать укрепление связей энергетической системы с другими энергетическими секторами, такими как теплоснабжение и транспорт. Например, в секторе теплоснабжения отопление, дополненное системами аккумулирования тепла и когенерацией, а также парки электромобилей могут стать ценным вариантом для расширения возможностей хранения энергии и более эффективного использования энергии ВИЭ.

3. Третьим пунктом идёт необходимость резервирования 1.2:1, т.е. соотношение доли традиционных и возобновляемых источников энергии в энергосистеме должно быть 1.2:1.

Резервирование группы электростанций, работающих на возобновляемой энергии важно, для того, чтобы система в целом обеспечивала соответствие спроса и предложения.

Доля ВИЭ в мировой энергетике растет, и это создает определенные вызовы для управления отраслью, поскольку генерация на основе солнца и ветра имеет «прерывистый» и непредсказуемый характер.

В то же время вопросы интеграции в энергетическую систему нестабильных возобновляемых источников энергии глубоко изучены и основательно проработаны. Накоплен и описан богатый практический опыт использования ВИЭ в разных государствах. Общие принципы обращения с ними составлены и подробно сформулированы.

Поэтому при обсуждении перспектив и вопросов планирования развития энергетики желательно обращаться к этому опыту, который, в том числе, обобщен и в рассмотренных документах Международного энергетического агентства [3].

Литература

1. Распоряжение Президента Азербайджанской Республики от 2 феврфля 2021 г. об утверждении «Национальных приоритетов социально - экономического развития: Азербайджан 2030». URL:https://azertag/az/ru/xeber/Rasporyazhenie_Prezidenta_Azerbaidzhanskoi_R espubliki_ob_utverzdenii_quotNacionalnyh_prioritetov_socialno_ekonomicheskog o_razvitiya_Azerbaidzhan_2030_quot-1703259

2. Исмаилова Н. Минэнерго о прогнозах по использованию альтернативной энергии в Азербайджане [Электронный ресурс]//Агенство международной информации TREND.2020. 4 марта. URL:https:// www.trend.az/business/energy/3201556.html

3. Wind, Sun and the Economics of Flexible Power Systems, ww.iea.org

4. Проблемы и решения системной интеграции ВИЭ в существующие энергосистемы https://aftershock.news/?q=node/538497&full

5. Getting wind and sun onto the grid https://www.iea.org/news/getting-wind-and-sun-onto-the-grid

Размещено на Allbest.ru