Новое поколение распределенной энергетики

Cложившаяся в России традиция централизованного производства электрической и тепловой энергии была весьма эффективна и рациональна в условиях плановой экономики. В годы становления энергетики в СССР эффективное производство электрической и тепловой энергии было возможно на крупных энергообъектах, обеспечивающих значительное количество потребителей. Относительно новое энергооборудование, жесткие технологические и организационные регламенты обеспечивали надежную работу большого энергокомплекса.
Малые электростанции и котельные строились избыточными по мощности и были сориентированы на локальное обеспечение потребителей. В то же время, возможности рационализации работы малой и большой энергетики за счет сетевого объединения энергоисточников не были востребованы. Это соответствовало структуре собственности и энергопроизводства того времени.

Сегодня на рынке производства и распределения энергии появилось значительное количество собственников, у потребителей энергии появились свои источники энергии и ее избыток. Энергия такой же товар как любой другой. Если у потребителей имеется необходимость в дополнительной энергии и в обеспечении высокой надежности работы энергокомплекса, возможности для этого могут и должны быть реализованы с применением технологий распределенной энергетики. Так делается во всем мире. Это становится востребованным у нас.

В настоящее время существует порядка десяти изделий, сводимых в единую технологическую систему, позволяющую повысить эффективность использования топливно-энергетических ресурсов не на проценты, а в несколько раз за счет утилизации потерь и вовлечения в оборот возобновляемых источников энергии. К этим решениям относятся:

Адаптивная энергетическая техника

Встроенные датчики и автоматическое управление повышают эффективность и расширяют динамический диапазон, позволяют вести диагностику работоспособности в режиме реального времени, предсказывать отказы, реализовать нетрадиционные решения техники нового поколения, в частности – компрессоров и тепловых насосов.

Переработка природного газа на основе поршневых химических реакторов сжатия

Установки позволяют нарабатывать синтетическое топливо в период низкого разбора газа, повышать коэффициент использования трубопроводных сетей и формировать запасы резервного топлива (вопрос с резервным топливом не решён даже в Московском регионе).

Однотопливные газодизели с динамическим переключением на выработку синтетического моторного топлива

Динамическое переключение режимов поршневых групп на выдачу механической мощности или выработку синтетического моторного топлива позволяет увеличить коэффициент загрузки распределённой энергетики, используемой в пиковой зоне графика потребления.

Гибридные установки энергопотребителя

Позволяют реализовать режим утилизации потерь энергопотребителя, получение энергии в любом виде и преобразование её к виду, необходимому для потребителя. Позволяют реализовать режим активного потребителя-регулятора и минимизировать издержки с учётом оптимизации выработки-закупки энергии.

Комплексный энергетический аккумулятор

Комплексный энергетический аккумулятор имеет несколько входов и рабочих тел, использует в качестве рабочих процессов изменение внутренней энергии рабочих сред, фазовые переходы, а также обратимые химические превращения, реализуемые за счёт использования встроенной гибридной энергоустановки.

Сезонные и суточные энергоаккумуляторы

В условиях резко континентального климата позволяет использовать температурные пики (как суточные, так и сезонные) для аккумулирования низкопотенциального тепла. Могут использоваться упрощённые или модернизированные модели комплексного энергоаккумулятора, позволяющие подключить возобновляемые нестабильные источники энергии. В результате можно создавать системы со сниженным потреблением тепла или даже бестопливные энергетические системы.

Формирование энергологистических систем

В таких системах оптимизация энергетических потоков разных видов проводится совместно. Также имеется возможность преобразования вида энергии и перевода её в другую энергетическую подсистему. При этом гибридная энергоустановка потребителя позволяет провести преобразование её к виду, предпочтительному для потребителя, по месту потребления, независимо от вида поставляемой энергии. Совместный учёт работы систем позволяет провести оптимизацию и сэкономить 5–7 % от общего расхода энергии и ТЭР. Другая возможность повышения эффективности и надёжности систем в энергологистической системе связана с возможностью при авариях или перегрузке участка сети переброса энергии через соединяющие эти системы энергетические установки, которые являются кросс-элементами этих систем с соответствующими характеристиками "стоков" или "истоков" и потерь. Фактически складывается новое направление экономического анализа в энергетике – комплексного анализа ранее абсолютно независимо рассматриваемых систем.

Формирование автоматизированных самовосстанавливающихся и самонастраивающихся энергосистем

Самонастраивающаяся система электроснабжения позволяет провести диагностирование систем или их блоков (генерации, сетей или потребителей), предсказать отказ, выбрать (рассчитать) наиболее оптимальную конфигурацию рабочей части системы и произвести переключения на новую оптимальную схему электроснабжения в соответствии с локализацией (отключением) неисправной части системы. Для диагностики нужны скоростные фазочувствительные цифровые датчики, а также средства связи, работающие в режиме реального времени. Система управления для реализации эффективной работы должна быть распределённой. Координация деятельности распределённых центров управления осуществляется централизованной системой управления. С учётом энергологистических подходов на основе самовосстанавливающейся системы может быть реализована самонастраивающаяся система, учитывающая текущие стоимости энергии и энергоносителей разных видов.

Создание автоматизированного розничного рынка, сочетающегося с автоматизированным оптовым рынком энергии

Формирование самонастраивающейся системы позволяет проводить оптимизацию потребления, производства и покупки энергии на оптовых рынках в режиме текущего времени. В случае задания графика по времени автоматизированного потребителя розничный рынок автоматически производит перераспределение мощности, вырабатываемой гибридными установками потребителя соответствующего вида энергии, оптимизирует пути поставки, а также приобретение энергии на оптовом рынке. Процесс полностью сочетается с проводящейся автоматизацией электрических станций "большой" энергетики.

Создание системы нештатного энергообеспечения объектов за счёт использования энергетических установок транспорта

При освоении малонаселённых территорий и использовании малоэтажного строительства эффективные транспортные газодизели, используемые совместно с аккумулирующими гибридными установками, позволяют снизить суммарную потребность в мощностях. Двигатели транспорта повышенной проходимости или грузового транспорта используются для выработки энергии и синтетического топлива в нерабочие часы. В их отсутствие поддерживает энергоснабжение маломощная гибридная энергоустановка. Высокоэффективные транспортные энергоустановки могут использоваться для энергообеспечения и в случаях отказов и аварий штатных энергоустановок.

Применение вышеперечисленных технических средств и организационных принципов для энергоснабжения России имеет огромное значение. Системы распределенного энергоснабжения могут оббеспечить возможность покрытия роста потребления без переделки сложившегося сетевого хозяйства и применимы для для зон малоэтажного строительства (рекреационных и вновь осваиваемых), для территорий, удаленных от сформировавшихся зон централизованного энергоснабжения и ЛЭП (это 2/3 территории России).

Без развитой сети распределенной энергетики невозможно организовать утилизацию энергетических потерь и бытовых отходов по месту их возникновения, вовлечь в энергетический оборот возобновляемые источники энергии, что позволяет принципиально (в разы) повысить эффективность энергообеспечения потребителей. В дальнейшем по мере освоения новых и вступления освоенных территорий России в постиндустриальный период развития, характеризующийся отсутствием строительства промышленных гигантов, роль распределенной энергетики будет только возрастать.

Распределенная энергетика снимает целый ряд барьеров (ресурсных, административных и пр.) для инноваций в энергетике, позволяя принципиально ускорить технологическое развитие данной сферы хозяйственной деятельности. Освоение новых технологий позволит существенно укрепить позиции в освоенной Россией нише мирового хозяйства – на топливно-энергетических рынках мира.

В условиях финансово-экономического кризиса развитие работ может стать опорной точкой как для машиностроения, так и для топливно-энергетического комплекса России, позволит восстановить ресурс коммунальной энергетики и создать необходимые условия для ведения малоэтажного строительства, создаст значительное количество рабочих мест на производстве продукции, конкурентоспособной на мировых рынках.

Кроме того, существует возможность не только поставки отечественной техники, повторяющей технологические решения развитых стран тридцатилетней давности, но и возможность собственных инновационных разработок на уровне современных технологий развитых стран, а по некоторым вопросам и опережающих. Малая (распределенная, муниципальная, региональная) энергетика гораздо более расположена к инновационному развитию по сравнению с большими мощностями централизованной энергетики: нет финансового барьера, не требуется отторжения крупных земельных участков, принципиально короче сроки разработки и согласования с регламентирующими службами, значительно ниже риски при ошибках на любом этапе разработки, испытаний и эксплуатации изделия.

Создание такой системы позволит не только решить текущие проблемы муниципальной энергетики, а также создать модельный ряд высокоэффективной мобильной энергетики, использующей возобновляемые источники энергии и местные виды топлива, незаменимые для освоения 2/3 территорий России и создания доступа к ее природным ресурсам. Инновационная энергетика позволит использовать существующую позицию России на мировых рынках ТЭР – диверсифицировать нишу присутствия и за счет использования конкурентного преимущества решений в распределенной энергетике конкурировать на местных национальных рынках стран-энергопотребителей.

Следует отметить, что в условиях кризиса активность развитых стран по освоению бестопливных энергетических условий резко усилилась. В США в стадии обсуждения находится новая национальная энергетическая стратегия, страны Европы рассматривают огромное количество проектов по вовлечению в энергетический оборот возобновляемых источников энергии (ВИЭ), имея около 3 тыс. "зеленых" поселений, использующих только ВИЭ уже сегодня. Рассматриваются проекты размещения 100 ГВт солнечных энергостанций в Сахаре, значительное количество приливных и ветроэнергостанций и др. Развитые страны уже сегодня планируют выход к 2020 г. на объемы 20% ВИЭ в энергобалансе (Германия), а некоторые даже до 40-45% (Австрия).

Важнейшая ниша применения технологий – снижение потерь на перекачку газа и нефти. Сегодня реальный кпд станций перекачки составляет около 28%, причем 70% энергии турбин формируется в виде роста внутренней энергии газа и приводит к повышению его температуры, сбрасываемой за счет принудительного охлаждения, требующего дополнительных затрат. В результате на перекачку расходуется около10% газа, что примерно вдвое ниже эффективности перекачивающих станций развитых стран. Применение распределенной системы утилизации и использования энергии тепловых потерь (например, на основе тепловых насосов и комбинированного привода с электрической подкруткой турбин) позволило бы сократить эти потери до 1-2%, т.е. практически на порядок.

Кроме того, распределенная система имеет перспективы инновационного развития – создания системы сбора низкопотенциальной энергии с использованием газа и сотен тысяч километров для сбора низкопотенциальной энергии.

Тот, кто первым сумеет освоить новые технологии, в значительной степени получит приоритет на емких и платежеспособных рынках развитых стран в долгосрочной перспективе. Проигрыш в разработке и освоении означает крайне значительные экономические трудности для России. Это обстоятельство позволяет говорить о геополитической роли программы развития распределенной энергетики в России с выходом на режим инновационного развития топливно-энергетического комплекса в целом. Решение необходимо принять сегодня.

Автор: Ворожихин Владимир Вальтерович