Юлия Бровкина

Какие технологии нужны в электроэнергетике?

Сфера для бизнеса: элетроэнергетика. Юлия Бровкина, генеральный директор ООО «Пакс Текум», рассказала, что нужно отрасли прямо сейчас, в ближайшей перспективе и через 20-30 лет.


Ситуация в электроэнергетике


Суммарная мощность генерации в энергосистеме России,  которая составила на начало 2015 г. 232 ГВт, несколько превышает объем потребления. Но следует учесть несколько существенных рисков:

  • Сокращение энергопотребления на фоне кризиса в сочетании с вводами новых мощностей в 2003-2015 отодвинуло проблему «креста Чубайса» (превышение спроса над предложением). В настоящий момент в системе более 15 МВт избыточных резервных мощностей.

  • Сейчас в работе находится значительное количество устаревшего оборудования – со сроком эксплуатации более 40 лет, с низкими показателями эффективности – что отрицательно сказывается на стоимости электроэнергии для конечного потребителя. 

  • Конфигурация генерации сейчас не оптимальна: при строительстве новых мощностей по ДПМ многие регионы опирались на прогнозы роста потребления, не оправдавшие себя, в связи с чем КИУМ (коэффициент использования установленной мощности)  по некоторым объектам – менее 40%. Преимущественно по ДПМ строились крупные маломаневренные блоки, а то время как волатильная нагрузка требует наличия в системе более мелких блоков для регулирования системы.  

  • Проектов модернизации и строительства новых ТЭЦ было в последние годы относительно немного. Кроме того, из-за массового строительства локальных котельных в начале 2000-х когенерация потеряла значительную часть промышленной тепловой нагрузки, что вынудило многие ТЭЦ работать преимущественно в конденсационном режиме – а это крайне неэффективно. В ряде регионов старые мощности ТЭЦ оказались дороже новых ПГУ КЭС, и при отборе мощности оказались в режиме вынужденной генерации.

  • В последние 20 лет наблюдается активное строительство локальных источников электро- и теплоснабжения. Процесс децентрализации уже давно перешагнул точку невозврата и стал необратимым. 



По теме: Новая разработка учёных повысит эффективность ТЭС и АЭС



Существует 6 основных сегментов в электроэнергетической отрасли, где востребованы проекты, основанные на применении новых технологий:

1. Энергосбережение в частном секторе

2. Локальные источники электроснабжения и теплоснабжения в частном и промышленном секторе

3. Промышленные накопители (конденсаторы с промышленной емкостью) для стабилизации графика нагрузки

4. Проекты, предусматривающие утилизацию или эффективное использование устаревшей генерации, подлежащей выводу из эксплуатации

5. Проекты по модернизации (повышению эффективности и оптимизации загрузки) и системам безопасности/надежности для существующей генерации

6. Сетевые проекты (в том числе связанные с возможностью децентрализованного регулирования присоединенной локальной нагрузки)



А что в мире?


Прежде чем перейти к рекомендациям по технологиям, необходимым российской энергетике в сложившейся ситуации, давайте пристально посмотрим на мировые тренды. 

Существует несколько глобальных факторов, определяющих развитие новых технологий в электроэнергетике на протяжении последнего десятилетия. Они же закладывают основные тренды  на горизонте 20-30 лет:

1. Объем потребления

  • Резкий рост бытовой нагрузки, наблюдавшийся в развитых странах в 1970-90-е годы и в развивающиеся в 1990-00-е, был связан с ростом уровня жизни и увеличением количества энергопотребляющих бытовых устройств в домохозяйстве (телевизоры, холодильники, стиральные машины, посудомойки, вентиляторы и кондиционеры, отопительные электронагреватели, и т.д.). Сейчас практически во всем мире (кроме стран Африки, Азии и Латинской Америки) достигнута точка насыщения, и рост снижается.

  • Развитие технологий, используемых в энергоемких производствах, ведет к сокращению промышленного энергопотребления.

2. Структура потребления

  • Существенно увеличивается доля нелинейной нагрузки в суммарном объеме потребления.

  • Тренд децентрализации энергоснабжения (в первую очередь – в отношении территориально удаленных центров потребления).

3. Топливная политика

  • Угольная генерация: ограничена запасами угля и вредным воздействием на окружающую среду.

  • Газовая генерация: ограничена геополитической ситуацией, стремлением к энергонезависимости основных центров энергопотребления, развитием технологий добычи сланцевого  и шельфого газа , разведанными запасами газовых месторождений.

  • Атомная энергетика: ограничена вопросами безопасности и надежности, основной тренд- термоядерный синтез и  малые ядерные генераторы; крупные атомные станции постепенно становятся неэффективными.

  • R&D: водород, метан - новые источники энергии.

4. Надежность и безопасность

  • Активное совершенствование автоматизированных систем мониторинга и контроля параметров надежности и качества энергоснабжения.

  • Другой актуальный сегмент – автоматизированные и автоматические системы управления распределенными сетями и генерацией. 

В сущности, мир движется в сторону комбинированной системы централизованного (в обеспечении базовой нагрузки в крупных центрах энергопотребления) и децентрализованного (в обеспечении локального потребления и регулирования распределенной нагрузки)  электро- и теплоснабжения. 

Эта система будет основана на принципиально новых источниках энергии и подчинена сложнейшим автоматизированным системам управления распределенной сетью. 

В 2014 году около половины всей вводимой в эксплуатацию мощности составляли распределенные источники генерации. Согласно прогнозу Global Distributed Generation Deployment Forecast, в 2014-2023 гг. будет построено около 1,1 ТВт распределенной генерации, что составит 1/3 от всего объема нового строительства. 

Ожидаемые сроки структурных изменений (вытеснение централизованных систем в пользу распределенных) – 20-30 лет. Ожидаемые сроки окончательного вытеснения угольной, газовой и атомной генерации в пользу новых источников  энергии (в частности, водородная и термоядерная энергетика)– 50-60 лет.



По теме: Инфографика: Новые способы получения электричества




Какие нужны технологии?


Теперь давайте подробнее рассмотрим технологии, востребованные в каждом из выделенных 6 сегментов:


1. Энергосбережение в частном секторе

Следует отметить, что в развитых странах этот сектор является  одним из самых привлекательных для инвестиций в разработку новых технологий. Суммарная емкость мирового рынка составляет 209,5 биллионов USD. В США в 2014-2015 годах этот сегмент был самым быстрорастущим, и к 2015 году он достиг объема в 60 биллионов долларов. По оценкам экспертов, в ближайшие годы темпы роста сохранятся. Стоит ли говорить, что в России этот рынок находится в зачаточном состоянии? Это значит, что по выходу из кризиса он окажется одной из «точек взрывного роста». Более того, на фоне кризиса простейшие недорогие решения, позволяющие снизить суммарные расходы на электроэнергию, водоснабжение и тепло, будут востребованы как никогда. Какие именно технологии предлагаются в этом сегменте?

  • Умные дома 

  • Солнечные панели

  • Климат-контроль

  • Малые (домашнего пользования) генераторы

  • Аккумуляторы

  • Теплоизоляция

  • Элементы отопления

  • Строительные материалы с улучшенными эксплуатационными характеристиками

Принципиально новый тренд, набирающий силу в США и Европе – переход к технологии нового поколения «умных домов»,  Zero Net Energy Building (ZNEB). Это концепция  жилых и коммерческих помещений, обеспечивающее полное автономное энергоснабжение. 

В 2014 году Главное управление услуг США утвердило приказ, обязывающий федеральное правительство модернизировать не менее 50% своего жилищного фонда, трансформировав его в ZNEB. В Калифорнии действует директива штата, предусматривающая перевод жилого фонда на ZNEB  к 2020 году, коммерческой недвижимости – к 2030. Европейская комиссия утвердила директиву, согласно которой весь жилой фонд должен быть переведен на ZNEB  к 2019 году, коммерческий сектор недвижимости – к 2021.


2. Сети

В этом сегменте востребованы те технологии, которые обеспечивают сокращение эксплуатационных издержек, повышение надежности и качества энергоснабжения, управление децентрализованной присоединенной нагрузкой.

  • Системы автоматизированного или автоматического контроля и управления (в том числе – smart metering, smart grid, системы аварийного отключения и т.д.) сетями.

  • Micro grid – микросетевые комплексы автономного обеспечения тех центров потребления, которые находятся вдали от крупных сетевых объектов. Первоначально на Западе в качестве micro grid рассматривались сети, объединяющие источники мощностью до 2 МВт. Но в последние годы к микросетям относят комплексы с мощностью  до 60-100 МВт включительно.

  • Новые сетевые технологии: цифровые ПС, высокопроводимые кабели, оптимизация топологии сети.

Информацию о реализованных и реализуемых  в США проектах строительства  smart grids можно посмотреть на сайте smartgrid.gov.

Согласно данным Pike Research, в настоящий момент в мире есть более 160 проектов создания micro grids. 

Пальма первенства принадлежит США. Проекты реализовываются в Коннектикуте, Нью-Йорке, Нью Джерси, Массачусетсе, Мэриленде, Калифорнии. Преимущественно проекты охватывают зоны grinfield (застройка новых площадей). Так, Альстом в Филадельфии в 2014 г. приступил к разработке проекта micro grid для бывшей портовой зоны, которая застраивается новыми офисными зданиями. Есть и проекты создания городской сети (например, в Варвике Nyser Been Energy LLC только что, в августе 2015 г.,  приступили к созданию micro grid, которая объединит городские здания и сооружения).


3. Локальная генерация

В этом сегменте в первую очередь востребованы технологии строительства малой  электро- и теплогенерации. Помимо ставших традиционными ВИЭ, сюда относятся различного рода recycling-технологии (биостанции и мусорные станции, активно ведущие деятельность в Швеции и Дании) и новейшие микроядерные установки. Так, во Франции уже изобретен первый малый генератор Hyperion, который работает на низкообогащенном уране и способен обеспечить энергоснабжение крупного промышленного предприятия или систему, состоящую из более 10 тысяч домохозяйств. Промышленное производство Hyperion будет налажено в ближайшие 3-4 года. 

  • Малые ГЭС

  • Ветряные генераторы

  • Солнечные станции

  • Приливная энергетика

  • Геотермальная энергетика

  • Биогенерация

  • Мусорная генерация

  • Малые термоядерные установки

  • Водородные генераторы малой мощности


4. Накопители (промышленные емкостные конденсаторы)

В последние годы во всем мире активно развивается это новое направление. По мере развития технологий конденсаторы, обеспечивающие хранение энергии в промышленных масштабах, становятся все более доступными. 

В этой отрасли происходит то же самое, что в ИТ в производстве чипов памяти: емкость растет геометрически, а себестоимость производства падает (преимущественно за счет стоимости сырья). 

Первое поколение конденсаторов – литий-ионные батареи (на которых погорели «Роснано» и «Ренова»), были изобретены около 40 лет назад и имеют КПД около 85-98%. При этом они обладают повышенной пожароопасностью и постепенно уступают место более новым типам накопителей. Если себестоимость производства различного вида литий-ионных батарей сейчас составляет в среднем около 6 USD за 1 Вт, то серно-натриевого (NaS) аккумулятора – уже 3 USD за 1 Вт (КПД такого аккумулятора составляет 80-90%). Серно-натриевые аккумуляторы получили второе рождение в 2014 г. благодаря изобретению жидкого проводящего электролита. 

Согласно ожиданиям экспертов, в ближайшее время (2-3 года) себестоимость производства нового поколения литий-ионных конденсаторов снизится до 1,5-1,8 USD за МВт. 

Многие венчурные инвесторы вкладывают средства в разработки новых видов накопителей, которые позволят существенно увеличить емкость и КПД и уменьшить себестоимость производства.

В первую очередь, накопители востребованы в распределенных энергосистемах с высокой долей ВИЭ и нелинейной нагрузки: они демпфируют провалы напряжения при скачках в сети и замещают генерирующие источники в те периоды, когда электроэнергия не может быть выработана (из-за отсутствия ветра, солнца, воды и т.д.). Промышленные накопители, кроме того,  востребованы на промышленных предприятиях (как резервные источники энергоснабжения, а также для целей оптимизации затрат на покупку электроэнергии), на генерирующих станциях (поскольку в позволяют обеспечить постоянную базовую нагрузку блоков и поставлять аккумулированную электроэнергию в пиковые часы). Лидерами в этом сегменте являются США и Китай. Во многих странах установка накопителей регулируется законодательно. В Калифорнии, например, местной директивой 2013 г. электроэнергетические компании обязали установить 1,3 ГВт накопителей к 2020 г. 

Один из самых крупных проектов, реализуемых в этом сегменте,- строительство AES в Калифорнии 100 МВт накопителя, обеспечивающего хранение четырехчасового запаса электроэнергии, достаточного для компенсации роста потребления в пиковые часы нагрузки. Проект стал альтернативой строительства дополнительных резервов газотурбинных мощностей для загрузки в пиковые часы. Строительство должно быть закончено к 2021 году, в настоящий момент это самый крупный электрохимический конденсатор в мире. Строительство ведется под заключенный сроком на 21 год договор поставки электроэнергии по фиксированной цене, гарантирующий финансовый поток.  


5. Существующая генерация

Это наиболее консервативный сегмент рынка, где места для сторонних игроков практически нет. 

Генерирующие станции, которые находятся в работе, входят в состав ТГК и ОГК. Финансирование строительства новых станций и модернизации существующих осуществляется через двухсторонние договоры поставки мощности на оптовом рынке. Требования к инжиниринговым компаниям, занимающимся строительством и модернизацией генерирующих станций, высоки, и основные игроки прекрасно всем известны. 

Коммерческое применение здесь возможно только для тех технологий, которые позволяют улучшить показатели эффективности работы станции, снизить себестоимость выработки электроэнергии, и которые являются при этом полностью самоокупаемыми.

Так, в последние годы были популярны различного рода проекты перевооружения котельных и парогазовых блоков ТЭЦ надстройками ГТУ. Отдельная ниша – это различного рода системы мониторинга,  управления и безопасности (в том числе кибербезопасности) для генерирующих объектов, где потребность есть, а вот квалифицированного предложения явно недостаточно. 

Итого:

  • Рост эффективности использования существующих ГТУ и ПГУ.

  • Системы управления и обеспечения безопасности.


6. Теплоснабжение

В этом сегменте исторически существуют две проблемы. Первая – интеграция централизованного (ТЭЦ и магистральные теплосети) и децентрализованного (локальные котельные и распредсети) теплоснабжения, которая усиливается по мере развития процесса децентрализации. 

Очень актуальны те технологии, которые обеспечивают учет, контроль, мониторинг и управление в распределенной системе теплоснабжения, а также оптимизируют конфигурации системы и нагрузки. 

Вторая проблема – это высокая степень износа оборудования (трубопроводы, насосные станции и т.д.) и низкое качество материалов, применяемых при замене/модернизации трубопроводов в последние 20 лет. Отсюда – большие теплопотери и частые утечки. Соответственно, тут нужны технологии, которые помогут дольше эксплуатировать трубопроводы, повысят их надежность, увеличат КПД водонасосных станций и теплоизоляцию. 

Итого:

  • Автоматизированные системы контроля и управления.

  • Трубы и изоляционные материалы, системы очистки и увеличения продолжительности срока эксплуатации оборудования и трубопроводов.



Фото на обложке: Shutterstock.


comments powered by Disqus

Подпишитесь на рассылку RUSBASE

Мы будем вам писать только тогда, когда это действительно очень важно