2018 г.

Нестеренко Д.Б., Нестеренко И.А.

 

 

ПРИНЦИП ОРГАНИЗАЦИИ МИКРОГРИДОВ

В ИЗОЛИРОВАННЫХ ПОСЕЛЕНИЯХ

 

В настоящее время наблюдаются тенденции изменения модели развития энергетического рынка в России. Централизованная система производства и транспортировки электроэнергии достигла пределов территориальной экспансии. Дальнейшее развитие электрификации РФ в труднодоступных регионах возможно посредством распределённой энергетики с использованием ВИЭ. Это требует принципиально новых подходов к проектированию энергосетей, к экономической и законодательной базе.

 

Развитие есть основной параметр технологического управления рынком. Управление также может быть не технологическим, то есть спонтанным, осуществляемым волевыми усилиями индивидов, коллективов или их совокупностью в соответствие с обстоятельствами. Тогда управляют обстоятельства, противостоять которым всегда слишком затратно с точки зрения имеющихся ресурсов. Ресурсы всегда ограничены существующими технологиями. Поэтому практика развития ресурсов – это всегда выход за пределы известных технологических решений. Этим занимается конгломеративное управление – технологическое управление, ориентированное на использование синергетических эффектов в пограничных сферах деятельности. Синергетические эффекты возникают исключительно в процессе практического внедрения технологических инноваций на междисциплинарных стыках. Управление этими эффектами требует пристального внимания науки, поскольку способно давать реальные результаты приращения ресурсов.

 

Остановимся на конкретном примере трансформации технологического управления в инновационную практику развития технологий.

 

Известный факт централизации управления технологиями в сфере развития энергетических ресурсов – План ГОЭЛРО (Государственной комиссии по электрификации России), принятый в декабре 1920 года на VIII Всероссийском съезде Советов обосновал строительство в СССР мощных районных электростанций на базе местных топливных и гидроэнергетических ресурсов, а также необходимость их объединения в крупные электроэнергетические системы. На протяжении всего XX века и до сегодняшних дней план неуклонно претворялся в жизнь руководством России, вводились в строй новые генерирующие мощности, развивалась распределительная инфраструктура.

 

Однако при набранных за всю историю плана темпах электрификации и опыте централизованного строительства и управления 70% территории России, где проживает 10% населения, до сегодняшнего дня не имеет сетевого электроснабжения. Причем эти территории практически совпадают с территориями с высокой ветровой нагрузкой (Камчатка, Магаданская область, Чукотка, Сахалин, ЯНАО, Бурятия, Таймыр и др.).

 

Климатические особенности этих территорий делают малопригодным использование традиционных ВЭУ мегаваттного класса и ветропарков на их основе. Причины этого понятны: сочетание резких перепадов температур, высокой влажности и порывистых разнонаправленных ветров, свойственных российскому приполярью, приводит к выходу ветроустановок из строя в течение одного года из-за обледенения лопастей и нарушения их балансировки, а также из-за замерзания подшипников и редукторов при их остановке при сильных ветрах, либо профилактических работах. Использование солнечной энергии также проблематично из-за климатических и географических особенностей.

 

Проблема остается весьма актуальной, поскольку в этих регионах себестоимость электрической энергии из самого распространенного источника – дизель-генераторов, может доходить до 300 рублей и более за 1 кВт/ч. Получается, что план ГОЭЛРО, решая проблему электрификации всей страны на уровне технологий централизованного управления, оставил открытым вопрос об оптимизации процесса электроснабжения окраинных и периферийных регионов и территорий. Кроме того, план решал вопрос об общей электрификации страны в соответствие со временем и ситуацией, частные же хозяйственные нужды на этом фоне быстро меняются в соответствие с возрастанием потребностей людей в экономии собственных ресурсов. Таким образом, принятая в прошлом централизованная стратегия планового технологического управления определила приоритеты, оставив возможность для практических инновационных решений в будущем.

 

Время для подобного рода решений проблемы оптимизации электроснабжения регионов и частных хозяйств настало. Не случайно эксперты, представляющие государственное управление самого высокого уровня, все чаще обращают внимание на общемировую тенденцию развития энергетического рынка – переход от централизованной энергетики к распределенной энергетике на базе мини- и микрогенерации.

 

Еще в 2014 году было очевидно, что вместе со строительством крупных генерирующих объектов, требующих больших и долго окупающихся инвестиций, государство начнёт либерализацию подключения маломощных установок к сетям и поддержке граждан, приобретающих маломощные ВИЭ с подключением к распределительным сетям, как это произошло в Европе. Однако процесс движется не так быстро, как хотелось бы. Инерция обстоятельств достаточно велика по причине сложившейся централизованной структуры энергетического рынка. Существующий рынок оптимизирован для управления единой энергосетью и практически не соприкасается с территориями, не подключенными к энергосети. Найти варианты оптимального включения обозначенных территорий в единую энергосеть невозможно по экономическим причинам из-за малой плотности населения. Остаётся искать способы нецентрализованного энергоснабжения. А наработанных приёмов и решений не существует, помимо дизельной генерации, которая требует огромных дотаций от государства. При себестоимости электроэнергии 30-300 рублей за 1 кВт/ч., население получает её по цене 3-7 рублей за 1 кВт/ч. Поэтому правительство вынуждено обращать внимание на возобновляемую энергетику на этих территориях.

 

В последние 5 лет на государственном уровне создаются предпосылки изменения принципов организации энергоснабжения. В Государственной Думе готовятся ко второму чтению: Поправки в ФЗ от 26 марта 2003 г. № 35- ФЗ «Об электроэнергетике» в части введения обязанности гарантирующего поставщика электрической энергии по приобретению электрической энергии, выработанной с использованием объектов микрогенерации ВИЭ, установленных у потребителя электрической энергии и порядка ее ценообразования; внесение изменений в законодательство Российской Федерации о налогах и сборах с целью исключения возникновения налоговых обязательств у физических лиц, осуществляющих операции по реализации электрической энергии, выработанной с использованием объектов микрогенерации ВИЭ; внесение поправок в сопутствующие законодательные акты и регламенты.

 

Принятие этого пакета позволит использовать современную модель технологического управления рынком энергопотребления — энергетический кластер (микрогрид) на базе местных топливных и возобновляемых ресурсов, масштаб которого закрывает потребности отдельного населенного пункта. При этом подобный подход позволит привлечь средства населения, замороженные во вкладах и наличности .

 

Рассмотрим принцип построения энергетического кластера (рис. 1).

Ядром кластера является дизельная электростанция (ДЭ), обеспечивающая электроснабжение всей нагрузки населенного пункта и накопитель энергии, рассчитанный на обеспечение автономной работы нагрузки в течение 24 часов.

 

Рис. 1. Структура энергетического кластера

(Сплошным цветом выделены пассивные потребители)

 

Каждый потребитель имеет ветро-солнечный модуль мощностью 5-15 кВт, собственный накопитель и инвертор, синхронизируемый по частоте, фазе и мгновенному напряжению с общей сетью. Собственный накопитель и инвертор должны обеспечить работу при кратковременном пиковом увеличении нагрузки, например – одновременное включение электрочайника, микроволновки и утюга. Учитывая, что суточное потребление крайне неравномерно, а выработка электроэнергии более-менее постоянна, возникает избыток энергии, который направляется другим потребителям и обеспечивает подзарядку общего накопителя.

 

Каждый инвертор снабжен двунаправленным счетчиком электроэнергии, данные с которого в автоматическом режиме по существующей распределительной сети передаются в систему учета энергобаланса.  Поэтому каждый потребитель в режиме реального времени знает сколько энергии потреблено из общей сети и сколько в нее отдано и сколько он должен заплатить или получить от гарантирующего поставщика электроэнергии.

 

При недостатке из-за неблагоприятных погодных условиях энергии, для обеспечения всех потребностей кластера, расходуется энергия из общего накопителя. При снижении уровня заряда накопителя до 60%, запускается дизельная электростанция.

 

Возможно включения в кластер других генерирующих систем: солнечных, биоэнергетических и т.п.

 

Дизельной электростанцией, промышленным накопителем и распределительной сетью владеет и/или управляет гарантирующий поставщик. Абонентскими системами — домовладельцы или гарантирующий поставщик.

Таким образом, время непрерывной работы дизельной электростанции, требующей постоянного обслуживания, и расход топлива может снизиться на порядок. При этом надежность электроснабжения кластера возрастает, т.к. выход из строя одного или не-скольких модулей не скажется на общей работоспособности. Снижается зависимость как от погодных условий, так и работоспособности дизельной электростанции. Расходы государства на дотирование выработки электроэнергии сокращаются в несколько раз.

 

Государство может сыграть ключевую роль в перераспределении инвестиционных по токов в возобновляемую энергетику на изолированных от сети территориях от институциональных инвесторов к частным. Для этого запускаются повышенные т.н. «зеленые тарифы» на приобретение у населения электроэнергии от возобновляемых источников энергии малой мощности до момента окупаемости ветросолнечного модуля и предоставляются индивидуальные льготные кредиты или лизинговые инструменты для желающих установить системы микрогенерации на возобновляемых ресурсах на конкретных территориях с предоставлением доступа к технологическому оборудованию (ветрогенераторы, инверторы, накопители энергии, приборы учета) способному обеспечить эффективную работу в конкретных климатических условиях. В случаях, когда гарантирующий поставщик берет на себя все расходы по организации микрогрида и передает ветросолнечный модуль в оперативное управление индивидуальному владельцу, его топливные субсидии сохраняются до момента окупаемости конкретного проекта с ежегодным сокращением на 10%.

 

Разработкой такого оборудования и подготовкой его производства занимается Институт К-технологий, являющийся резидентом фонда «Сколково». В настоящий момент Институт подготовил на базе дочернего предприятия ООО «НЭЭС-ветер» производство ветрогенераторов уникальной конструкции, способных работать при ветрах от 2 до 60 м/с, температурах -60 ÷ 60°С, практически бесшумных и не требующий обслуживания в течение гарантийного срока, составляющего 5 лет. Готовятся к разработке генераторы 5-15 кВт и инверторы, способные автоматически синхронизироваться с сетью для работы на внешнюю нагрузку.

 

Таковы конкретные технологические результаты использования нового концептуального подхода к электрификации труднодоступных территорий и населенных пунктов РФ.

 

Элементы энергетических кластеров применимы и в зонах с развитой сетевой энергетикой. Это позволит населению снизить расходы на электроснабжение и даже получать дополнительные доходы за счет передачи излишков электроэнергии в сеть. Например, установка нашего ветрогенератора мощностью 15 кВт в зоне с со среднегодовой скоростью ветра 4-5 м/с, позволит получать с него 2,5 кВт/ч. мощности.

 

Считаем: 2,5 кВт/ч х 24 ч х 30 дн. = 1800 кВт/ч электроэнергии в месяц. Семья из 3-4 человек в среднем за месяц потребляет 350 кВт.

 

Итого: 1800-350 = 1450 кВт.

 

Даже без «Зелёных» тарифов месячный доход в Подмосковье составит:

1450 * 5,38 руб. = 7801 руб./мес

 

С учетом экономии по оплате электроэнергии:

9684 руб/мес.

 

Однако, энергетический кластер не сводится только к генерации и распределению электроэнергии. Совершенно не рассматривается тепловая энергия, для получения которой используется то же электричество, снижая КПД кластера. Не уделяется должное внимание теоретическим разработкам и решениям по созданию энергоэффективных жилых комплексов в рамках микрогридов с использованием тепловых насосов и солнечных кол-лекторов для обеспечения тепловой энергией.

 

С нашей точки зрения, как раз на стыке теплоэнергетики, электроэнергетики и энер-госбережения должны быть найдены решения, дающие новый технологический толчок экономичного достижения энергоэффективности и надежности недоступной ПОКА в массовом сегменте.

 

Список литературы:

 

1. http://www.eprussia.ru/epr/217/14807.html

2. https://www.youtube.com/watch?v=0RbUOrSzqJ4&t=18s

3. http://government.ru/news/28559/

4. Дильман. М.Д., Необходимость системного подхода к развитию традиционной и возобновляемой энергетики, Материалы международной конференции REENCON-XXI, Москва.

5. Тягунов М.Г., Оптимизация структуры распределенных энергосистем с установка-ми возобновляемой энергетики. Материалы международной конференции REEN-CON-XXI, Москва.

 

 

 

 

 

НАВЕРХ