Работа по распределению

Энергетика по праву может считаться фундаментом и драйвером развития экономики любой страны. Само собой, предъявляемые к ней требования многочисленны и серьезны, а иногда ко всему прочему еще и весьма противоречивы. Предполагается, что система электроснабжения должна быть устойчивой и надежной, обладая при этом гибкостью и маневренностью. Как эти качества совмещаются в российской энергосистеме? Почему она не идеальная и существует ли альтернатива? Об этом рассказывают N + 1 и организаторы конкурсов Up Great.

Советское наследие

Существующую систему энергоснабжения Россия унаследовала от Советского Союза. В начале ХХ века СССР стремился в относительно короткий срок обеспечить промышленность новыми мощностями, выбрав для этого централизованный подход к развитию энергетики.

По всей огромной территории страны создавались мощные, удаленные друг от друга электростанции. Государство было обеспечено надежной энергосистемой, которая в постсоветской России получила официальное название Единая Энергосистема (ЕЭС).

Централизованная энергосистема предполагает, что электростанции расположены преимущественно за пределами населенных пунктов — не только из-за своих внушительных размеров, но также потому, что занятый ими участок земли становится зоной с особыми условиями использования территории.

Однако основная доля потребления электроэнергии сосредоточена именно в крупных населенных пунктах. Это означает, что энергия, которая при нажатии кнопки выключателя заставляет лампочку светиться, вынуждена проходить десятки, сотни и тысячи километров до потребителя.

Необходимость проходить большие расстояния чревата потерей передаваемой мощности. Минимизировать «утечку» позволяют силовые трансформаторы. На электростанции с относительно низкого напряжения (порядка 6-15 киловольт) электроэнергия трансформируется в высокое и сверхвысокое напряжение (110-1150 киловольт), а по мере приближения к потребителю возвращается к привычным 220 вольт.

Лавина частоты и blackout

Чтобы электроэнергетическая система работала стабильно, критически важно соблюдать равенство между создаваемой и потребляемой мощностями. Нарушение этого баланса чрезвычайно опасно: вследствие дефицита мощности может возникнуть так называемая «лавина частоты», способная привести к массовому отключению электричества (blackout).

Когда из-за нехватки мощности частота электросети снижается, это дает начало цепной реакции: сперва замедляются подключенные к сети электродвигатели — в том числе установленные на электростанциях, — и технологический процесс оказывается нарушен. Затем системы автоматики отключают электрогенераторы, лишь увеличивая существующий дефицит.

«Лавина частоты» развивается стремительно и не останавливается до тех пор, пока дисбаланс не будет устранен или энергосистема наконец полностью не «потухнет».

Стоит учитывать, что современная система электроснабжения включает в себя миллионы установок. Все они могут включаться и отключаться сколь угодно часто: по нескольку раз в день, в час, в минуту и даже секунду.

Как настолько сложная структура может быть гибкой и оперативно подстраиваться под ежесекундно меняющийся спрос на энергию? На самом деле, дела обстоят несколько проще.

Электростанции можно разделить на базовые — те, которые практически не изменяют величину генерируемой мощности с течением времени — и маневренные — те, которые в любой момент могут быстро увеличить или уменьшить выработку энергии.

К базовым электростанциям относятся атомные (АЭС), нерегулируемые (без плотины) гидроэлектростанции (ГЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). На этих электростанциях маневрирование невозможно — либо ввиду особенностей конструкции, либо из соображений безопасности.

Поэтому обязанность генерировать дополнительную мощность для «прохождения пиковых нагрузок» ложится на регулируемые (с плотиной) ГЭС, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), газотурбинные установки (ГТУ) и некоторые другие источники энергии.

Несовершенная система

Централизованный подход к развитию энергетики позволяет создать одновременно устойчивую и маневренную, надежную и гибкую систему электроснабжения. Впрочем, у подобного решения существуют характерные только ему недостатки.

Поскольку электростанции рассредоточены по обширной территории, нагрузка на сеть распределяется неравномерно. Неоднородность нагрузки (то есть присутствие в системе пиков потребления), а также высокая скорость процессов предполагают высокую маневренность. Обеспечить ее позволяют резервные мощности.

Проблема в том, что содержание и включение резервных мощностей исключительно в момент необходимости снижает общую энергоэффективность. Кроме того, силовые трансформаторы хоть и минимизируют, но все-таки не способны устранить потерю электроэнергии.

В нынешнем виде Единая Энергосистема не способна обеспечивать электричеством отдаленные и труднодоступные территории. Строительство высоковольтных линий электропередач (ЛЭП), способных транспортировать электроэнергию с минимальными потерями, оказывается невозможно из-за сурового климата или попросту невыгодно с экономической точки зрения.

Сегодня для этой проблемы не найдено оптимального решения. В труднодоступные районы страны авиацией забрасывается органическое топливо (так называемый северный завоз), которое сжигается местными генерирующими установками. Полученная в результате электроэнергия обходится бюджету страны слишком дорого.

Еще один существенный недостаток заключается в том, что потребитель теряет всякую возможность участвовать в формировании рынка электроэнергетики. В контексте централизованной системы электроснабжения устанавливаются однонаправленные отношения — существует заданный уровень потребления электроэнергии, который обязательно должен быть обеспечен.

Все это заставило электроэнергетический комплекс искать альтернативы и в конце концов обратить внимание на децентрализованный подход к организации электроснабжения, подразумевающий развитие малой, или, как часто говорят, распределенной, энергетики.

Плюсы распределенной энергетики

Малая энергетика устраняет большинство недостатков централизованного подхода. Электростанции располагаются не на удалении, а совсем рядом с потребителем.

Соответственно, генераторные установки подключаются непосредственно к нему или связаны с распределительной сетью. Высоковольтные ЛЭП и трансформаторы становятся не нужны, расходы на их содержание сокращаются, а потери электроэнергии если не исчезают полностью, то существенно падают.

Современные зарубежные энергосистемы — например, китайская и американская — успешно совмещают централизованную и распределенную энергетику для максимальной эффективности. Комбинирование позволяет использовать возобновляемую энергию и внедрять технологии, повышающие эффективность системы.

Одна из таких технологий — «виртуальная электростанция» (ВиЭС), объединяющая генераторы энергии и потребителя в единый энергокомплекс.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ), аккумуляторная батарея (АКБ) и дизельная электростанция обеспечивают экономию углеводородного топлива. Все вместе они устраняют недостатки друг друга: непредсказуемый характер ветряной установки сглаживается благодаря накопленной в аккумуляторной батарее энергии, а также маневренности дизельной электростанции.

При этом избыток энергии не пропадает зря, а передается в централизованную энергосистему.

В отличие от централизованной энергетики, распределенный подход предоставляет обоюдную выгоду для потребителя и производителя энергии. Когда энергосистема переживает пиковые нагрузки, а цена на электричество достигает своего максимума, потребителю предлагается на некоторое время (всего-навсего 15-60 минут) снизить уровень потребления электричества.

Скажем, отключение кондиционеров в бизнес-центрах на 15-30 минут не мешает работе, однако существенно снижает нагрузку. Основное преимущество такого подхода состоит в том, что для поддержание стабильной работы энергосистемы не требуются резервные мощности, а эффективность генераторов повышается.

Нужна ли России малая энергетика?

Распределенный подход к развитию энергетического комплекса в России находится на стадии обсуждения, пилотных проектов и опытно-промышленной эксплуатации. Крупные предприятия отказываются от услуг Единой Энергосистемы, предпочитая инвестировать в собственные генерирующие мощности.

Это приводит к «цепной реакции»: с одной стороны, количество задействованного электрооборудования остается прежним, а с другой стороны — из-за ухода крупных потребителей электроэнергии растет финансовая нагрузка на тех, кто еще пользуется ЕЭС.

Как нетрудно догадаться, такая ситуация стимулирует все больше участников рынка переключаться на собственные системы электроснабжения.

В области распределенной энергетики нашей стране не хватает опыта и знаний. Международные компании уже сейчас проводят исследования и реализуют проекты, направленные на развитие малой энергетики и, вместе с тем, снижение выбросов углекислого газа.

Например, на крыше штаб-квартиры Intel установлены микро-ветротурбины и солнечные панели. Даже из выделяемого серверами тепла в компании намерены извлекать пользу.

Прежде чем нечто подобное в существенных масштабах будет реализовано в России, необходимо решить целый ряд организационных и технических вопросов. Как минимум, обеспечить плавную перестройку энергосистемы, сохраняя баланс создаваемой и потребляемой мощности.

Мы не можем похвастаться опытом проектирования и эксплуатации подобных систем. В стране отсутствует нормативная база, которая бы регулировала взаимоотношения потребителя и производителя электроэнергии в рамках такой системы.

В целом замена централизованной энергетики на малую невозможна и, в сущности, не имеет смысла. Лучшим решением станет «золотая середина» — комбинированное применение: использование одного подхода для компенсации недостатков другого.