Россия обладает огромным потенциалом развития оффшорной ветроэнергетики. Несомненное преимущество использования ветроэнергетических установок (ВЭУ) состоит в том, что их можно расположить в море вблизи крупного промышленного объекта (в нашем случае буровой платформы), решив тем самым проблему доставки топлива и передачи электрической энергии по сетям (подводным кабелям). Это обеспечит значительную экономию финансовых средств и улучшит экологическую ситуацию. В настоящий момент можно констатировать, что внедрение ВИЭ на морские платформы — это важный шаг на пути к снижению затрат в морской ветроэнергетике, который позволит нефтяным морским платформам быть самогенерирующими, энергонезависимыми и экологичными объектами.
Целью данной работы является анализ возможности применения ветроэнергетических установок в качестве распределённой генерации для энергоснабжения нефтегазодобывающей платформы в Каспийском море. Перечислим также задачи работы: изучить текущую ситуацию с энергоснабжением морских объектов, определить актуальность проблемы генерации энергии, задать и проанализировать показатели, которые демонстрируют характер применения морской ветроэнергетики, а также произвести расчёт комплексной энергосистемы с ВЭУ в программном обеспечении Homer Pro и дать оценку полученным результатам.
ППБУ «Северное сияние» на Ленинградском газоконденсатном месторождении (Карское море)
Активному использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) содействовал запрос всего человечества на предотвращение негативных последствий климатических изменений, что привело к формированию высокого спроса на безуглеродные технологии. Во всём мире наблюдается постоянное совершенствование технологических решений, снижение стоимости оборудования и строительства в области ВИЭ.
Внедрение ВИЭ-генерации в структуру энергоснабжения РФ позволит решить несколько вопросов: будут исполнены принятые обязательства по снижению выбросов парниковых газов, удалённые регионы страны могут быть обеспечены надёжными локальными источниками энергии, развитие науки и промышленности получит мощный стимул, появятся благоприятные условия для привлечения инвестиций. Россия располагает колоссальным потенциалом по всем видам ВИЭ, использование которых позволит занять достойное место на глобальном рынке новой энергетики. Важно отметить, что ⅔ территории нашей страны являются зонами децентрализованного энергоснабжения, осуществляемого за счёт материально изношенного оборудования.
С точки зрения биологии и экологии, переход к альтернативной энергетике является лучшим вариантом развития для человека и для природы. Серьёзные экологические проблемы — локальные климатические изменения и глобальное потепление в целом — уже всерьёз угрожают всей биосфере нашей планеты. Также в скором будущем в России, как и в других странах, ожидается введение налога на выбросы углерода (углеродный налог). Это — одни из самых актуальных вопросов, наталкивающих на мысль о реализации ВИЭ на многих объектах.
МЛСП им. Ю. Корчагина (ПАО «ЛУКОЙЛ») в Каспийском море
Одним из возможных вариантов экономии топливно-энергетических ресурсов и уменьшения количества выбросов парниковых газов является использование оффшорных ветроэнергетических установок для работы нефтегазодобывающих платформ. Также это поможет решить важнейшую проблему — энергоснабжение в море. Обеспечение энергией объекта вдали от берега и в непростых климатических условиях — мероприятие достаточно сложное в части логистики, затратное в части экономики и неэкологичное для некоторых вариантов генерации.
На данный момент энергоснабжение морских буровых платформ происходит тремя способами: генерация электроэнергии на месте с помощью газовых турбин; получение электроэнергии с берега по подводным кабелям; использование дизельных генераторов, для которых необходимо доставлять топливо с берега [1].
Принцип работы морской ВЭУ (рис. 1) ничем не отличается от наземной, разница лишь в условиях эксплуатации. Оффшорные ветроэнергетические турбины должны иметь повышенную защиту от агрессивной среды, то есть от солёной воды, что определяет некоторые требования к используемым материалам [2].
Рис. 1. Схема расположения объектов при эксплуатации морской ветроэлектрической станции (ВЭС), предназначенной для энергоснабжения буровой платформы
Морская ветровая турбина устанавливается на фундамент. Набегающий ветряной поток под действием аэродинамических сил вращает лопасти, которые механически связаны коробкой передач (мультипликатором) и генератором, расположенными в гондоле. Генератор вырабатывает электроэнергию, передаваемую по подводным кабелям сначала на оффшорный трансформатор, а затем на береговую подстанцию или сразу на объект потребления (буровая платформа).
Согласно требованиям к посадочным вертолётным площадкам, планируемая ВЭУ должна находиться не менее чем в 50 м от стационарного места приземления воздушного судна. Причём это расстояние должно быть рассчитано с учётом размера лопастей ветротурбины.
В данной работе в качестве примера был рассмотрен объект, находящийся в России и по сей день функционирующий за счёт различных источников энергии, а именно — нефтегазоконденсатное месторождение им. Юрия Корчагина, расположенное в северной части акватории Каспийского моря (180 км от Астрахани). Определив показатели (табл. 1), которые характеризуют выбранное местоположение, был проведён анализ с целью первоначальной оценки применимости морской ветроэнергетики [3, 4]. Отметим, что скорость ветра в данном районе превышает средние показатели, что характерно для стабильной работы ветроустановки. Ряд сложностей в части логистики и транспортировки оборудования может возникнуть из-за расположения объекта достаточно далеко от берега.
Использование газа, который добывают на платформе, для работы местных газовых турбин кажется естественным, но это не самое экономичное и уж тем более неэкологичное решение. Газовые турбины — это фактически реактивные двигатели, которые используют энергию струи горячего газа, образующуюся при сжигании газообразного или жидкого топлива. Мощность, передаваемая при этом через вал турбины, приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию, то есть процесс производства электроэнергии включает в себя сжигание горючего, сжатие газа, теплообмен и преобразование тепла во вращательное движение, для чего требуется оборудование, которое потребляет большое количества топлива и требует значительных затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание.
На каждой буровой платформе в случае поломки газотурбинной установки предусматриваются аварийные дизель-генераторы, обеспечивающие бесперебойное питание и позволяющие платформе стабильно функционировать. При энергоснабжении дизельными генераторами достаточно высокие затраты приходятся на транспортировку топлива, а также на его потребление. На буровых платформах со временем уменьшается дебит скважины, поэтому отбор газа на собственные нужды не является энергетически безопасным способом. Очевидно, что необходимы резервные варианты энергоснабжения на случай, когда добыча попутного газа будет мала для обеспечения жизнедеятельности самой буровой платформы. Одним из вариантов является замена газовых турбин на ВЭУ в комплексе с литий-ионными аккумуляторами.
Первоначально основной задачей в ветроэнергетике является проектирование надёжных фундаментов для ВЭУ. Фундаменты поддерживают ветровые турбины, обеспечивая безопасную и стабильную основу, определение подходящего их типа имеет огромное значение, как с экономической, так и с технической стороны.
Есть несколько условий, ограничивающих диапазон использования различных типов фундамента для ВЭУ [5]:
1. Глубина месторасположения ВЭУ имеет решающее значение при определении типа фундамента и его затрат. Чем больше глубина, тем больших капиталовложений потребуется для использования специализированных технологий. Это отразится на окончательных инвестициях в проект, а также снизит его прибыльность.
2. Морские зоны с высокими волнами усложняют работы по установке и техническому обслуживанию ВЭУ, требуя большей трудовой деятельности и экономических ресурсов. Также возможно повреждение фундамента и возникновение такого явления, как размыв морского дна. Оно ослабляет конструкцию и требует более тщательного наблюдения, а также дорогостоящих ремонтных работ.
3. Расстояние ВЭУ до берега также имеет большое значение. Оптимальное расположение ВЭУ — это как можно дальше от береговой линии, сохраняя при этом небольшую глубину. Так мы получим более равномерную выработку электроэнергии за счёт постоянства высокой скорости ветра и обеспечим меньшее воздействие на ландшафт и побережье.
4. Частота спонтанных явлений, таких как землетрясения, цунами или экстремальные метеорологические явления на море, оказывает критическое влияние.
5. Типология слоя морского дна, на которое планируется установить фундамент, а также возможные воздействия на судоходные маршруты или другие морские сооружения.
Кроме всех перечисленных условий особенно важно учитывать доступность ресурсов в предполагаемом районе расположения объекта.
Было классифицировано и проанализировано 154 оффшорные ВЭУ для установления диапазона использования различных типов фундамента в зависимости от глубины и расстояния до берега (табл. 2) [5]. Данные пределы облегчают первоначальный выбор типа фундамента для оценки целесообразности применения на конкретном месторасположении.
Сопоставив данные табл. 1 и 2, можно сделать вывод, что для территории нашего объекта доступны в целях детальной проработки следующие типы фундамента: «моно-свая» и «тренога».
«Моно-свая» представляет собой конструкцию, благодаря которой башня поддерживается моно-свайным фундаментом либо напрямую, либо через переходную деталь, содержащую приспособление для высадки на лодку, катодную защиту, каналы для подводных кабелей и т. д. Чтобы выдержать нагрузку (вес конструкции, ветер, волны и т. д.) в данном типе фундамента используют элементы, как правило, большого диаметра. Процесс строительства «моно-сваи» включает в себя забивку большой полой стальной сваи на глубину 25 м, к которой прикрепляется переходная деталь, а песок и вода удаляются из центра сваи и заменяются бетоном. Эту конструкцию проектировщики и заказчики предпочитают благодаря простоте, а также дешевизне установки.
«Тренога» — это тяжёлая металлоконструкция, состоящая из цилиндрических свай, которые соединены в единую трёхногую деталь. Центральная стальная штанга «треноги» соединяется с башней ветряной турбины. Конструкция может иметь как вертикальные, так и наклонные сваи. «Тренога» является сильным конкурентом «моно-сваи», но только когда глубина месторасположения превышает 30 м. Поэтому можно предположить, что на месторождении в Каспийском море целесообразнее использовать тип фундамента для ВЭУ «моно-свая».
Для построения оптимизационной модели энергосистемы в ПО Homer Pro [6] были получены данные нагрузки выбранного объекта. Годовой профиль нагрузки морской платформы (рис. 2) показывает, что пик потребления энергии приходится на зимние месяцы. На основе данных о нагрузке в январе построим суточный профиль (рис. 3), а также заметим, что перепад электрических нагрузок не превышает 5%.
Рис. 2. Годовой профиль нагрузки
Рис. 3. Суточный профиль нагрузки
Далее было рассмотрено множество компоновок энергосистемы с внедрением ВЭУ: рассматривались, в частности, экономические и экологические эффекты. По результатам расчётов выбран оптимальный вариант комплексной энергосистемы (рис. 4), применимой для нашего объекта. В состав системы в качестве источников постоянного тока подобраны оффшорные ветроэнергетические установки — Vestas 8000 и литий-ионные аккумуляторы. Отметим, что аккумулирование энергии от ВЭУ способствует решению проблем прерывистого поступления энергии, а также повышает эффективность использования энергии ветра и увеличивает суммарную выработку ветроустановки. Потребителю электроэнергии необходим источник переменного тока, поэтому в предлагаемую схему был внедрён преобразователь. Полностью исключить традиционные источники энергии на данном этапе невозможно. В нашем случаем мы сократили газовые турбины с четырёх штук до трёх, а в качестве резерва использовали не дизельные генераторы, а накопители энергии. При расчёте применяются реальные климатические данные выбранного местоположения, загруженные из базы данных NASA.
Рис. 4. Схема энергосистемы, смоделированной в Homer Pro
Выбранная компоновка энергосистемы показала себя довольно устойчивой в условиях рассматриваемого объекта.
По полученным данным, одна ВЭУ номинальной мощностью 8000 кВт, расположенная вблизи нефтегазоконденсатного месторождения им. Корчагина, способна выработать 29632 МВт·ч в год с коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ) около 42,3%. Это высокий показатель эффективности для оффшорной ветроэнергетики, ведь наземные ВЭУ имеют КИУМ порядка 15–25%.
Рис. 5. Годовая выработка электроэнергии ВЭУ Vestas 8000
Сравнив все объекты генерации, которые были внедрены в энергосистему, показатель LCOE (средняя расчётная стоимость электроэнергии) оказался наименьшим у Vestas 8000 и составил $0,0795 за 1 кВт. Наблюдается постоянная годовая выработка электроэнергии (рис. 5), но отметим, что в летний период она снижается, а в зимний увеличивается, что схоже с профилем нагрузки. Сопоставив графики выработки, отметим, что пик генерации ВЭУ происходит в течении дня в период с 08:00 до 20:00, а газотурбины восполняют дефицит в оставшееся время. Результаты подтверждают практическое применение ветроэнергетических установок в комбинации с аккумуляторами и газовыми турбинами.
Кроме того, благодаря программному обеспечению Homer Pro произведён расчёт количества выбросов парниковых газов энергосистем с ветроэнергетическими установками и без них (табл. 3).
Первая рассмотренная схема компоновки объектов генерации включает в себя четыре газовые турбины (ГТ) и один дизельный генератор (ДГ), то есть она сопоставима с текущей системой энергоснабжения на морской платформе. Данная энергосистема имеет достаточно высокие выбросы в атмосферу, к тому же невыгодна экономически. Во второй схеме сократили количество газотурбин до трёх и убрали дизель-генератор, но взамен внедрили две ВЭУ и литий-ионные аккумуляторы. Отметим, что данная энергосистема наиболее оптимальна, и именно её мы рассмотрели подробнее ранее. Третью комплексную систему, в состав которой вошли две газовые турбины, семь ветроэнергетических установок и аккумуляторы энергии, Homer Pro обозначило как самый экологичный из возможных на данный момент вариантов.
Однако заметим, что экономически такая энергосистема не целесообразна, так как аккумулировать энергию всё ещё достаточно дорого. Современное общество получило запрос на развитие современных технологий для возобновляемой энергетики, они начали развиваться и масштабироваться во всём мире, и это уже сейчас приводит к снижению цен.
Была проведена оценка выбросов парниковых газов по сектору энергетики в РФ [7]. По данным Федеральной службы государственной статистики (Росстат), количество выбросов за 2019 год составило 1667,7 млн тонн CO2-эквивалента в год.
В табл. 3 продемонстрированы суммарные выбросы парниковых газов, переведённые в условную единицу измерения CO2-эквивалента [8]. Также прокомментирован характер эффекта на атмосферу от выбранных энергосистем.
Выводы
1. Проблема энергоснабжение морских платформ весьма актуальна на сегодняшний день, так как используемые методы получения энергии являются неэкологичными, неэкономичными и энергетически небезопасными.
2. Первоначально были определены показатели, которые характеризуют местоположение выбранного объекта. По результатам анализа не было выявлено категорических противопоказаний для применения морской ветроэнергетики.
3. В ходе работы был выделен тип фундамента «моно-свая» для детальной проработки возможности применения в Каспийском море.
4. Рассмотрены различные комбинации энергосистем с использованием ВЭУ. Для детального анализа выбрана схема с учётом экономических, экологических, а также технических факторов, которая является самой оптимальной для месторождения им. Ю. Корчагина. Данная система эффективна, но следует наращивать энергию от ВИЭ последовательно, ведь прогнозировать её выработку на данный момент невозможно, остаётся только наблюдать, исследовать и иметь резервные источники (традиционная энергетика, аккумуляторные батареи).
5. По полученным данным, одна ветроэнергетическая установка мощностью 8 МВт имеет КИУМ приблизительно 42,3%, а также способна выработать 29632 МВт·ч электроэнергии в год.
6. Кроме того, проведена оценка выбросов парниковых газов от различных систем энергоснабжения, которая сопоставлена со значениями по сектору энергетики в Российской Федерации.
