Времена меняются, становятся доступны новые генерирующие устройства, например, по оценкам известного консалтингового агентства McKinsey, к 2035 году на основе ВИЭ будет вырабатываться более 50% электроэнергии на планете [1]. Какие из создаваемых сегодня технологий будут востребованы — покажет время. Одна из таких технологий и описана в этой статье.
Энергетика в нашей стране имеет богатую историю. Например, в 1894 году выходцы из купеческих семей Андрей Дмитриевич Елтышев и инженер-механик Николай Яковлевич Панфилов создали «Товарищество электрического освещения в Екатеринбурге А. Елтышев, инженер Н. Панфилов и К°» и построили на 2-й Береговой улице первую городскую электростанцию (фото 1). В Екатеринбурге началась электрификация: уже в конце 1895 года в городе было восемь электрических фонарей, затем установили ещё 34, и газета «Екатеринбургская неделя» восторженно писала: «В первый раз с начала существования нашего города гражданам его удалось любоваться небывалой здесь электрической иллюминацией».
Фото 1. Первая электростанция в городе Екатеринбурге (1895 год)
Станция работала на дровах, её оборудование состояло из парового котла с поверхностью нагрева 1450 квадратных футов (134,7 м²), паровой машины системы Вестингауза мощностью в 115 лошадиных сил и динамо-машины в 80 кВт [2], и уже в 1896 году городская Дума рассматривала вопрос о строительстве трамвайной линии в городе. Следует отметить, что население Екатеринбурга в 1897 году составляло 43239 жителей [3].
Электростанции строились и в других городах Российской империи (и затем СССР) и всего мира. В процессе работы выявлялись особенности и недостатки эксплуатации отдельных электростанций и для повышения эффективности работы станций наилучшим решением стало объединение их в одну сеть с помощью линий электропередач (ЛЭП) с различным уровнем напряжения. Таким образом, сложилась централизованная система электроснабжения, которая отвечала требованиям того времени. У этой системы имеются свои преимущества и свои недостатки.
К недостаткам централизованной системы электроснабжения можно отнести то, что ЛЭП занимают много места, происходят потери энергии, требуется периодическое обслуживание, при повреждении ЛЭП пропадает электроснабжение у большого числа потребителей, но самое существенное — необходимо поддерживать частоту сети в определённых пределах. Также можно отметить, что для большой централизованной системы очень невыгодны маленькие разрозненные потребители, расположенные в труднодоступных местах. Тянуть линии к таким потребителям часто совершенно убыточно экономически, а иногда и невозможно физически. Но такие потребители существуют, и сегодня у них есть прекрасная возможность осуществить свою потребность в электроэнергии.
До сих пор в мире 733 млн человек живут без электричества [4].
Стремительное развитие солнечной генерации обязано тому, что цены на солнечные панели упали с момента их создания более чем в 150 раз. Сейчас солнечная панель стоит дешевле, чем обыкновенное зеркало такого же размера. Это даёт возможность миллионам потребителей получать электроэнергию там, где раньше это было невозможно (фото 2).
Фото 2. Cолнечная панель на берегу озера Манасаровар (Тибетский АО, КНР). Здесь, на высоте 4590 м над уровнем моря, солнце —единственный источник электроэнергии
Постановка задачи
Автономные солнечные электростанции (АСЭС) позволяют потребителям обеспечивать важнейшие потребности современного человека — освещение, электропитание, зарядка гаджетов и аккумуляторного инструмента. С увеличением мощности системы потребитель получат возможность пользоваться различным инструментом, обеспечивать работу насосов, холодильников и т. д. Ключевой решаемой проблемой АСЭС является стоимость накопителей энергии. Если солнечная панель может служить 30 лет, то дорогие аккумуляторы приходится менять каждые пять-шесть лет, и с учётом этого стоимость накопителей в АСЭС составляет от 74%. Можно предположить, что стоимость электроэнергии, сгенерированной солнечными панелями, становится дороже в пять-семь раз за счёт стоимости накопителей. С другой стороны, в цене электроэнергии, распределяемой в централизованной системе, от 47 до 60% составляет плата за передачу электроэнергии, то есть стоимость сгенерированной электроэнергии удваивается.
Возникает вопрос — возможно ли создать сеть из разрозненных генерирующих устройств (солнечных панелей), которая была бы лишена недостатков автономных и централизованных сетей и объединяла бы их преимущества? Можно ли из нескольких АСЭС сделать свою сеть, или, как это принято говорить, «микрогрид»?
Пути решения
Первый, наиболее очевидный путь решения всех проблем электроэнергетики — создание «вечного» всепогодного дешёвого безопасного накопителя электроэнергии. Если таковой будет создан, привычный нам мир может измениться. Исчезнут провода, дымящие станции и прочие признаки технологий прошлого века. Любой потребитель сможет запасать электроэнергию в периоды излишков солнечной генерации и тратить её в период нехватки. То же самое можно отнести и к теплогенерации. Если будет создан идеальный накопитель тепловой энергии, летнюю жару можно будет «законсервировать» до зимы, и наоборот.
Итак, мы имеем идеальный, с точки зрения авторов, источник электроэнергии — солнечную панель. Движущихся частей нет, большой срок службы, прекрасно выглядит, генерация достаточно хорошо прогнозируема, генерирует постоянный ток. Возникает вопрос: а нужен ли нам переменный ток? Если посмотреть вокруг, то оказывается, что абсолютное большинство электрических устройств используют постоянный ток. Компьютеры и разнообразная цифровая техника, телевизоры, разнообразные гаджеты, множество электроинструмента, светодиодное освещение и прочее — все они работают на постоянном токе, но получают его от сети переменного тока через соответствующие блоки питания.
Другая группа потребителей (лампы накаливания, обогреватели, печки и другие нагревательные приборы) может работать не замечая, постоянный или переменный ток протекает внутри устройства. И третья группа приборов, на сегодня самая малочисленная, — те, кому действительно нужен именно переменный ток. Наиболее яркий представитель этой группы — асинхронный электродвигатель, а из бытовых приборов — холодильник.
Получается, что абсолютное большинство электроприборов без больших сложностей можно подключать к сети постоянного тока соответствующего напряжения и избавиться от многочисленных переходников и блоков питания? Когда-нибудь так и будет, но опыт эксплуатации АСЭС показывает, что сейчас потребитель к этому не готов. Можно сделать вывод, что в ближайшие годы сеть потребления должны быть на переменном токе.
Вернёмся теперь к сети генерации. Источник генерации — солнечная панель постоянного тока, потребитель — переменный ток. В каком узле цепочки «генератор — распределительные устройства — потребитель» эффективнее расположить преобразователь постоянного тока в переменный? Известны решения, называемые «сетевые инверторы», которые преобразуют электроэнергию постоянного тока в энергию переменного тока, подходящую для подачи в общую электросеть. Кроме очевидной сложности и дороговизны, эти инверторы могут работать только в случае наличия работающей общей сети, то есть им требуется опорное напряжение. А в АСЭС, как правило, такого напряжения нет.
В общих чертах можно обрисовать систему, получившую название BlaBlaWatt: цепи генерации объединены по системе постоянного тока, а цепи потребления — по системе переменного тока (рис. 1).
Рис. 1. Принцип работы BlaBlaWatt
Описание системы BlaBlaWatt
Автономные солнечные электростанции, как правило, имеют панели общей мощностью от 100 до 600 Вт, мощность инвертора колеблется от 600 Вт до 3 кВт, ёмкость накопителя — от 100 до 800 А·ч. Типичный уровень напряжения накопителей — 12 и 24 В, реже 48 В. Объединить системы накопления с разным уровнем напряжения в одну систему достаточно проблематично, поэтому было выбрано решение — поднять уровень разных накопителей до одного уровня с помощью конвертеров постоянного тока DC/DC, которые достаточно доступны.
Выбор уровня напряжения цепи генерации оказался не так прост. Рассматривались следующие типичные значения — 110, 220 и 310 В DC. Каждый уровень имеет свои преимущества и свои недостатки.
В энергетике есть термин — эффективное сечение. Если линию электропередач делать из очень толстого провода, то возрастают капитальные затраты, но снижаются потери в проводах, а если применять очень тонкий провод, то капитальные затраты уменьшаются, но возрастают потери электроэнергии. Где-то между этими крайностями и находится то самое «эффективное» сечение провода. Это сечение зависит от напряжения в линии:
1. Напряжение 110 В постоянного тока. Хорошо тем, что применяется на отечественных железных дорогах, и есть множество готовых инверторов 110 В DC / 220 В AC, хотя и не самых доступных.
2. Напряжение 220 В постоянного тока. Отличается тем, что прямо с сети 220 В постоянного тока можно подключить нагревательные приборы и освещение.
3. Напряжение 310 В постоянного тока имеет замечательную особенность — преобразователь 310 В DC / 220 В AC имеет самую простейшую конструкцию.
По ряду причин при создании прототипа сети BlaBlaWatt было выбрано четвёртое, не предусмотренное ранее решение с величиной напряжения 96 В DC. На фото 3 изображён блок-преобразователь DC/DC с встроенными измерительными приборами, закреплённый на аккумуляторе. Этот блок измеряет напряжение аккумулятора (12,6 В) и выходное напряжение преобразователя (111,2 В). Также присутствует измеритель мощности с модулем Bluetooth для учёта переданной мощности и передачи данных.
Фото 3. Блок-преобразователь DC/DC с измерительными приборами
Энергия от разных АСЭС стекается на вход общего преобразователя 96 В DC / 220 В AC мощностью 9 кВт и возвращается к потребителю по отдельной цепи потребления в привычном виде — 220 В переменного тока.
В результате пользователи BlaBlaWatt, в дополнение к собственной маломощной энергетической установке, получают доступ к высококачественной мощной сети, которая может поддерживать не только работу холодильников, но и обеспечит работу сварочного аппарата, что очень важно в отделённых территориях.
Многочисленные эксперименты показали, что беспроводной учёт электроэнергии не является наилучшим решением и в дальнейшем предполагается вести учёт с помощью апробированной больше века технологии Power Line Communication (PLC), позволяющей обмениваться данными по силовым проводам.
Преимущества BlaBlaWatt
В электроэнергетике при расчётах сетей используют термин — коэффициент одновременности Ksim. Его можно оценить как вероятность того, что все потребители используют максимум нагрузки. За счёт этого коэффициента можно достичь существенной экономии на стоимости трансформатора в централизованных системах. В солнечных электростанциях потребители постоянно сталкиваются то с недостатком электроэнергии, то с избытком. В случае BlaBlaWatt это можно использовать для расчёта мощности общего накопителя. Рассмотрим табл. 1.
Что означает эта таблица применительно к BlaBlaWatt? Если десять владельцев АСЭС с ёмкостью собственных накопителей 100 А·ч объединятся в одну сеть, то для получения привычного качества и объёма электроэнергии им потребуется коллективный накопитель ёмкостью не 1000 А·ч, а всего лишь 250 А·ч.
Попробуем рассчитать стоимость типичной АСЭС и стоимость подключения к BlaBlaWatt на десять аналогичных участников. Наши расчёты подтверждают, что подключение по системе BlaBlaWatt обойдётся пользователю почти в 2,5 раза дешевле, при этом мощность сети позволит подключить сварочный агрегат.
Сейчас в связи с высокой востребованностью в мире создаются различные микрогриды, выполненные на различных принципах и оборудовании. Отличительной особенностью BlaBlaWatt является то, что она не требует опорного напряжения.
Учёт электроэнергии
В автономных системах солнечной энергетики не имеет смысла учитывать расход электроэнергии, так как солнечная пока бесплатна, и уровень накопленной энергии оценивается по напряжению накопителей, но при взаиморасчётах разных участников BlaBlaWatt требуется учёт сгенерированной, отданной в сеть и полученной из сети электроэнергии. В первую очередь возникает идея об учёте с помощью технологии блокчейн. Однако данная технология может быть полезна для банковских и других технологий, но явно избыточна для описываемых целей. Дополнительным камнем преткновения служит то, что невозможно произвести точный подсчёт, куда и сколько ушло и откуда и сколько пришло электроэнергии, будет значительная погрешность, которая неприемлема в банковской среде, но допускается в энергетике. Может быть, был бы приемлем некий «блокчейн-лайт», но всё равно эта технология предполагает определённые вычислительные мощности, а для автономных систем требуется максимально простое решение, чтобы вычислительная мощность устройств учёта была на уровне самого простого телефона, а ещё лучше — калькулятора.
Предполагается обмен информацией по силовым проводам с помощью технологии PLC по следующим параметрам — время, объёмы отданной и полученной энергии. Всего три параметра. На сегодняшний день эта задача, по мнению разработчиков, решаема в режиме чата. В какой-то момент (возможно, в полночь) участники чата «закрывают день» и подсчитывают балансы за день. Что примечательно, учёт взаимообмена можно производить в произвольной валюте, на выбор участников. Это может послужить некой отправной точкой для создания некой новой валюты, обеспеченной не драгоценными металлами и ценными бумагами, а самой твёрдой валютой — электроэнергией, которая гораздо больше востребована там, где нет централизованных сетей, банкоматов, терминалов и прочих признаков современной цивилизации.
Солнечная генерация имеет существенный недостаток — суточную и годовую сезонность, и было бы неэкономно устанавливать на неё единую цену. В одном случае (днём) она будет завышена, в другом (ночью) — занижена, что может вызвать неудовольствие пользователей. Следовательно, стоимость электроэнергии должна быть динамическая и зависеть от объёма генерации, объёма накопления, объёма спроса. В мире испокон веков существуют аналогичные системы, когда спрос на какой-то товар формируется на основе спроса и предложения, будь это золото, нефть, металлы и прочее. Существуют и соответствующие математические модели, которые могут быть использованы для алгоритмов BlaBlaWatt. Эти алгоритмы могут быть сверхсложные и сверхточные, сверхпростые и неточные, критерий один — они должны устраивать потребителей.
Дополнительные бонусы
К дополнительным бонусам системы BlaBlaWatt можно отнести режим взаимодействия с внешней сетью, если она есть. В настоящее время при подключении солнечных электростанций к централизованной сети солнечная энергия учитывается двунаправленным счётчиком, и затем сводится баланс — сколько отдали и сколько потребили. Но, как правило, эта энергия не уходит дальше районного трансформатора, а потребляется соседним потребителем без участия централизованной сети. Можно отметить, что централизованные сети не очень рады генерации в свою сеть от различных маломощных устройств, и на это есть веские причины, прежде всего технические.
Система BlaBlaWatt позволяет иметь большое число степеней свободы — можно отдавать и принимать из сети (если она есть), можно утилизировать избыточную электроэнергию с помощью майнинга криптовалют, можно заряжать электроавтомобили и заряжаться от них, можно нарабатывать водород на зиму и т. д., список будет расширяться.
Рынок микрогридов
Рынок микрогридов — растущий рынок. Потенциал его масштабирования в мире оценивается в 200 тыс. минигридов, для строительства которых потребуется привлечь примерно $127 млрд, как следует из доклада World Bank [5]. Этот рынок растёт не только в мире, но и в России. Например, в СНТ «Таять» Невьянского района Свердловской области в 2010 году была одна АСЭС, а сейчас их 15 (фото 4). Именно здесь и находится полигон для физической реализации и отработки технических решений первого проекта BlaBlaWatt.
Фото 4. Расположение АСЭС в СНТ «Таять», Невьянский район Свердловской области
Опыт эксплуатации АСЭС показывает, что не все пользователи имеют возможность эксплуатировать собственную АСЭС, но желают пользоваться электроэнергией в своих отдалённых районах. Эти пользователи значительно расширяют рынок для BlaBlaWatt.
Выводы
BlaBlaWatt — эволюционный этап развития солнечной энергетики, позволяющий иметь качественное электроснабжение без использования ископаемого топлива, независимое от централизованной сети, экономически более выгодное по сравнению с традиционными системами электроснабжения. Это исключительно гибкая, децентрализованная система генерации с динамическими тарифами.
С точки зрения надёжности параллельное соединение элементов — это такое соединение, в котором отказ одного элемента не ведёт к отказу системы, а последовательное соединение — это то, в котором при отказе одного элемента наступает отказ всей системы. В нашем случае отказ одного из элементов BlaBlaWatt не вызывает отказ всей системы. Именно это ключевое преимущество перед централизованной системой и позволяет назвать BlaBlaWatt «системой электроснабжения Судного дня».
Немного фантастики
«Заехав глубоко в лес, владелец электромобиля студент Егор заметил, что аккумуляторы разряжены, а путь до ближайшей стационарной зарядной станции может оказаться очень долгим. Взглянув на карту местности, он обнаружил автономную сеть, работающую по технологии BlaBlaWatt. Смартфон показывал, что текущая цена электроэнергии в этой сети — 0,5 энергорубля за 1 кВт·ч. Зарядившись до отказа, он поехал дальше. Услужливый «умный» помощник предложил маленький бизнес — в сети неподалёку владельцы проводили массовое энергоёмкое мероприятие, внутренние ресурсы были исчерпаны и стоимость 1 кВт·ч дошла до пяти энергорублей. Заехав в «дефицитный» посёлок, Егор поделился энергией, заработав при этом небольшую прибавку к стипендии, и насобирал грибов».
А может быть, это не фантастика?
