Введение

В рамках статьи рассматриваются гибридные энергокомплексы (ГЭК) и оцениваются возможности, проблемы и перспективы применения в них возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Основными рассматриваемыми сферами применения ГЭК выбраны промышленные предприятия и коммерческие объекты. На базе сферы применения определены основные сценарии работы объектов, выделен перечень задач, типовых проблем и представлены примеры гибридных энергокомплексов.

Типизация гибридных энергокомплексов

Гибридные энергокомплексы применимы в различных условиях в зависимости от задач, установленных владельцем. В рамках статьи предлагается ввести классификацию по следующим факторам: по типу подключения к регулярной энергосети и по требованиям к энергоснабжению.

Классификация по типу подключения позволяет определить перечень типовых задачи, стоящих перед комплексом, а также произвести выбор его структурной схемы. В зависимости от типа подключения к регулярной сети можно выделить:

1. Автономные комплексы, работающие без подключения к регулярной сети. Примерами таких комплексов могут выступить полностью электрически изолированные от регулярной сети поселения, автономные измерительные комплексы.

2. Гибридные системы с резервным подключением, использующие ВИЭ в качестве основной генерации, но допускающие возможность импорта электроэнергии из регулярной сети. Примерами могут выступать объекты индивидуального строительства с собственной генерацией, рекреационные объекты, выделенные ответственные потребители.

3. Полностью подключённые комплексы, которые используют ВИЭ в сочетании с традиционной энергетикой для снижения потребления из регулярной сети. Примером подобного объекта может выступать производство с высокой энергетической составляющей в себестоимости продукции, предприятия с ярко выраженными пиками потребления.

В зависимости от требований к энергоснабжению можно выделить комплексы:

1. Обеспечивающие постоянную нагрузку, то есть не предполагающие возможности прерывания энергоснабжения.

2. Обеспечивающие пиковые или переменные нагрузки, допускающие возможность прерывания энергоснабжения, обеспечивающие выравнивание или перенос пиков потребления/генерации для традиционных источников и т. п.

Задачи гибридных энергокомплексов для промышленных предприятий и коммерческих объектов

Энергоснабжение изолированных потребителей (малая мощность)

Изолированные потребители электроэнергии широко распространены во всех регионах, вне зависимости от степени распространения регулярной сети.

Если говорить о сравнительно малых нагрузках, то типовым изолированным потребителем могут выступать автономная метеостанция, телекоммуникационная вышка или морские и аэронавигационные объекты.

Для энергообеспечения таких потребителей подходят автономные комплексы, содержащие в своём составе ВИЭ, систему накопления энергии и традиционную генерацию на основе привозного топлива. Наличие ВИЭ в составе комплекса позволяет добиться длительных интервалов автономной работы комплекса без необходимости дозаправки.

Снижение затрат на привозное топливо

Сценарий снижения затрат на привозное топливо является частным случаем задачи энергоснабжения изолированного потребителя. В рамках статьи предлагается отделить объекты с малой мощностью потребления (менее 10 кВт) от объектов с большим потреблением.

Типовыми объектами, на которые распространяется этот сценарий, могут считаться удалённые поселения в районах Крайнего Севера и Дальнего Востока, горнодобывающие и горно-обогатительные комплексы. Доля стоимости топлива в эксплуатационных затратах на энергообеспечение таких объектов превалирует над прочими, что способствует развитию идеи замещения выработки за счёт ВИЭ. Следует понимать, что закрытие большей части потребности в электроэнергии за счёт традиционной генерации не означает малую степень замещения — в моменте доля ВИЭ может достигать 100%.

Повышение надёжности энергоснабжения и снижение затрат на покупку электроэнергии

Задача повышения надёжности энергоснабжения за счёт ГЭК актуальна для объектов, содержащих ответственных потребителей и имеющих подключение к регулярной сети, однако испытывающих нестабильную поставку электроэнергии ввиду, например, изношенности сетей. Использование ГЭК с системами резервирования энергоснабжения позволяет обезопасить потребителей от прерываний энергоснабжения за счёт оперативного автоматического переключения на резервный источник электроэнергии, например систему накопления энергии.

Добавление в такой комплекс ВИЭ позволяет добавить системе гибкости, например не только обеспечивая поддержание уровня заряда системы накопления за счёт ВИЭ, но и снижая потребление электроэнергии из регулярной сети за счёт добавления излишков выработки к общему потреблению объекта.

Участие в механизмах оптового рынка электроэнергии

Для полностью подключённых ГЭК, с учётом доступных типов энергоресурсов в их составе, характерна гибкость в энергоснабжении потребителей. Наличие такой гибкости, вкупе с интеллектуальным управлением и соответствующим и обоснованным выбором условий поставки электроэнергии из регулярной сети, позволяет использовать ГЭК для участия в рыночных механизмах снижения стоимости электроэнергии для конечного потребителя.

Примером таких механизмов могут быть ценозависимое снижение потребления, выравнивание нагрузки и/или перенос пиков потребления для снижения платы за мощность, интеллектуальное управление энергоресурсами с целью следования плановому графику потребления.

Добавление ВИЭ и систем накопления энергии в такие ГЭК позволяет существенно расширить возможности переноса пиков потребления.

Проблемы применения ВИЭ в составе гибридных энергокомплексов и их решения

Сравнительно низкая прогнозируемость выработки ВИЭ

Малая предсказуемость выработки ВИЭ остаётся одной из ключевых проблем их применения в гибридных энергетических комплексах, особенно для промышленных предприятий и объектов с изолированным энергоснабжением. Несмотря на развитие современных методов прогнозирования, основанных на использовании сложных математических моделей и машинного обучения, точность предсказаний для интервалов в сутки всё ещё оставляет желать лучшего. В таких моделях используется множество переменных: погодные условия, состояние атмосферы, исторические данные и другие факторы. Однако доверительная вероятность этих прогнозов редко достигает достаточного уровня для надёжного планирования работы энергосистемы в реальном времени.

Для изолированных объектов эта проблема усугубляется отсутствием стабильного доступа в Интернет, что ограничивает возможность использования внешних прогностических ресурсов. В таких условиях предсказательные модели должны работать локально, основываясь на данных, собранных на объекте. Однако эти данные зачастую являются ограниченными по объёму и качеству, что препятствует работе комплексных моделей прогнозирования. В результате, системы вынуждены полагаться на упрощённые модели, которые обладают ещё меньшей точностью и, соответственно, увеличивают риск нестабильной работы энергокомплекса.

Более того, в случае изолированных систем необходимо учитывать высокий уровень зависимости от погоды, которая может внезапно изменяться в условиях труднодоступных регионов. Без надёжного прогноза планирование работы резервных источников энергии и систем накопления становится сложнее, что приводит к снижению эффективности энергоснабжения и потенциально к экономическим потерям.

Таким образом, несмотря на технологические улучшения остаётся необходимость в развитии автономных прогнозирующих систем, которые могут точно моделировать выработку ВИЭ в условиях ограниченного набора данных. Возможные решения включают более активное использование исторических данных с объекта и методов машинного обучения для повышения точности прогнозов, а также совершенствование систем управления для минимизации последствий внезапных колебаний в генерации.

Нестабильная мгновенная выработка ВИЭ

Мгновенная нестабильность выработки ВИЭ является важной проблемой, особенно в контексте гибридных энергокомплексов. В основе этого явления лежит зависимость большинства ВИЭ от природных ресурсов, таких как солнечная инсоляция и ветровой поток, которые по своей природе нестабильны во времени. Например, солнечные панели демонстрируют экспоненциальную зависимость от количества света: даже незначительное затенение может снизить их выходную мощность на порядок. Аналогично, зависимость ветроэлектрических установок от скорости ветра носит кубический характер, что означает, что небольшие колебания скорости ветра приводят к резким изменениям в выработке энергии.

В реальных условиях это означает, что нормальные изменения погодных факторов, такие как облачность или порывы ветра, могут привести к ощутимым колебаниям в генерации. Эти изменения могут быть быстрыми и непредсказуемыми, что ставит под угрозу надёжность энергоснабжения, особенно если энергокомплекс не оснащён соответствующими компенсирующими механизмами.

Особенно опасными такие колебания становятся в случае неправильно спроектированной схемы выдачи мощности или некорректного подбора номинальных мощностей оборудования. Например, если мощность системы накопления энергии не соответствует уровню нестабильности, это может привести к перерасходу ресурса аккумуляторов или невозможности их своевременной зарядки.

В результате краткосрочные колебания могут вызывать недопоставку энергии потребителям или привести к износу оборудования из-за частых циклов пуска и остановки.

К числу возможных решений проблемы относятся:

  • системы прогнозирования, такие как SkyCam, которые могут предсказать затенение и дать возможность подготовить систему к изменениям в инсоляции;
  • моделирование комплекса с учётом ветровой турбулентности позволяет заранее предусмотреть возможные колебания и их последствия для всей системы;
  • оптимальный подбор мощности и ёмкости системы накопления способен сгладить кратковременные колебания в выработке и снизить риск перегрузки оборудования.

Несмотря на то, что современные технологии значительно продвинулись в минимизации рисков, вызванных мгновенной нестабильностью, вопрос грамотного проектирования и точного подбора систем остаётся ключевым фактором для обеспечения надёжного энергоснабжения.

Потребность в интеллектуальных системах управления для обеспечения эффективности

Экономическая и технологическая неэффективность гибридных энергокомплексов может стать серьёзным барьером для их успешного внедрения, если отсутствуют надёжные механизмы планирования и управления. Одной из основных причин является ненадёжность прогнозов доступных энергоресурсов, таких как ветровая энергия или солнечная инсоляция. Кроме того, сложные и изменчивые графики потребления энергии на промышленных и коммерческих объектах добавляют неопределённости. Без комплексной системы управления, способной обеспечивать среднесрочное планирование и оперативное управление ресурсами в реальном времени, эксплуатация ГЭК не может быть эффективной.

Эффективная система управления гибридным энергокомплексом должна учитывать несколько ключевых факторов:

1. Оптимальные режимы работы оборудования — каждое устройство имеет свои эксплуатационные характеристики и требования к техническому обслуживанию. Неправильная эксплуатация или частые пуски/остановки могут привести к значительному износу оборудования.

2. Планирование с учётом износа и технического обслуживания — система должна оптимизировать текущую работу и учитывать сроки техобслуживания и ремонтов оборудования, чтобы минимизировать периоды простоя и поддерживать его в рабочем состоянии.

3. Выбор состава генерирующего оборудования — в зависимости от прогнозов доступных ресурсов и ожидаемого спроса система должна определять, какие источники энергии включать в работу и в каких режимах. Например, включение дизельного генератора на малых нагрузках может быть экономически невыгодным и приводить к его износу.

Без такой системы управления возникает несколько проблем:

  • повышенный износ оборудования — частые пуски и остановки генераторов, неэффективное использование систем накопления энергии (СНЭ) или резервных источников энергии ведут к ускоренному износу оборудования.
  • потеря эффективности — оборудование, работающее в неэффективных режимах, тратит больше топлива или электроэнергии на поддержание нагрузки;
  • рост операционных расходов — вместо ожидаемого снижения затрат на энергоснабжение из-за использования ВИЭ расходы могут вырасти за счёт непредсказуемых эксплуатационных расходов и потребности в техобслуживании.

Таким образом, наличие продуманной системы управления, выполняющей планирование и контроль в реальном времени, является критически важным условием для успешной эксплуатации ГЭК. Эта система должна учитывать все факторы — от технических характеристик оборудования до прогнозов потребления и выработки. Без неё ГЭК рискует не только не оправдать ожиданий по снижению затрат, но и привести к их увеличению, что сделает проект экономически невыгодным.

Высокая капитальная составляющая

Высокая капитальная составляющая при внедрении гибридных энергокомплексов остаётся одной из главных экономических проблем. Несмотря на заметное снижение стоимости технологий возобновляемой энергетики и систем накопления энергии за последние десятилетия, их начальные затраты по-прежнему остаются высокими. Это особенно важно для промышленных объектов, где начальные вложения могут значительно повлиять на рентабельность проекта.

Грамотное планирование состава ГЭК и выбор оборудования являются ключевыми факторами, определяющими долгосрочную экономическую эффективность комплекса. Без тщательного технико-экономического обоснования, которое учитывает как технологическую, так и экономическую составляющую, вероятность выбора оптимального оборудования снижается. Каждая ошибка в подборе мощностей, конфигурации или резервных систем может привести к нерациональным инвестициям, что увеличит срок окупаемости проекта.

Существующие инструменты для моделирования, как технического, так и экономического характера, могут значительно помочь в оптимизации выбора. Техническое моделирование позволяет учесть физические и эксплуатационные характеристики оборудования, тогда как экономическое моделирование оценивает затраты и доходы на протяжении жизненного цикла комплекса. Эти инструменты являются важными помощниками для снижения финансовых рисков и максимизации отдачи от капитальных вложений.

Таким образом, тщательное планирование и использование современных инструментов моделирования позволяют минимизировать риски, связанные с высокой капитальной составляющей, и сделать проект более устойчивым и экономически эффективным.

Примеры энергокомплексов с применением ВИЭ

ВДК «Новиково»

Ветродизельный комплекс «Новиково» расположен в Корсаковском районе Сахалинской области. Комплекс обеспечивает энергоснабжением село Новиково, для которого является единственным источником генерации. Мощность потребления, в зависимости от сезона, составляет от 100 до 380 кВт. В 2023–2024 годах комплекс был модернизован для повышения доступной степени замещения ВИЭ.

Используемые источники энергии

В составе комплекса изначально были представлены:

  • дизельная электростанция;
  • две ветроэнергетические установки;
  • балластная нагрузка (утилизация электрической энергии в тепловую);
  • синхронный компенсатор.

После ряда модернизаций в состав комплекса были добавлены: система накопления энергии на базе проточного накопителя и система утилизации электрической энергии для генерации водорода.

Комплекс укомплектован автоматизированной системой управления, обеспечивающей согласованное управление указанным оборудованием.

Статус

Объект находится в эксплуатации с 2016 года, в 2024 году была произведена модернизация и ввод в эксплуатацию нового оборудования.

Основные задачи

Комплекс «Новиково» является представителем автономного комплекса, обеспечивающего постоянную нагрузку. Основной задачей является снижение затрат на привозное топливо за счёт координированного управления доступными ресурсами и максимальной утилизации энергии ВИЭ. Внедрение системы накопления энергии позволяет обеспечить максимальное замещение традиционной генерации возобновляемой.

Энергокомплекс для объекта добычи лития

Проектируемый горно-обогатительный комбинат (ГОК) расположен в Арктическом регионе России. Согласно данным геологоразведки, ГОК является наиболее богатым месторождением лития на территории Российской Федерации. Ввиду отсутствия линии электропередач до предполагаемого расположения ГОКа, в ходе проектирования рассматриваются различные варианты энергоснабжения. Внедрение ГЭК планируется в два этапа с увеличением требуемой мощности с 5 МВт на первом этапе до 20 МВт на втором.

Используемые источники энергии

Высокий ветропотенциал заданной местности позволяет рассматривать ветроустановки как основной источник энергоснабжения комплекса, дополняя их дизельной генерацией в качестве резервного источника. На текущий момент для первого этапа предполагается следующая компоновка оборудования: 4×2 МВт дизель-генераторные установки; 2×4,2 МВт; ветроустановки 5,8 МВт, 2,9 МВт∙ч Li-ion-система накопления энергии.

Для второго этапа предполагается расширение дополнительными: 7×2 МВт дизель-генераторными установками; ветроустановками 4×4,2 МВт; 12,7 МВт, 6,35 МВт∙ч Li-ion-системой накопления энергии.

Статус

Выполняется технико-экономическое обоснование проекта.

Основные задачи

Задачей ГЭК в данном случае является обеспечение надёжного энергоснабжения, причём итоговые затраты на электроэнергию для конечного потребителя должны быть меньшими, чем в случае строительства ЛЭП. Индикативные оценки с указанным составом оборудования указывают на исполнимость задачи.

Следует отметить, что функционирование ГОК подразумевает резкопеременные нагрузки большой мощности, включение которых обычно требует предварительных мероприятий по высвобождению вращающегося резерва. Выбранный состав оборудования позволяет использовать систему накопления энергии в качестве демпфера для пусковых режимов таких нагрузок.

Энергокомплекс для объекта добычи золота

Проектируемый комплекс расположен в Приморском крае. Комплекс должен обеспечивать энергоснабжение разработки золотосеребряного месторождения. Потребность в электрической мощности составляет 3 МВт.

Используемые источники энергии

Для объекта предполагается следующая компоновка оборудования: 4×1,5 МВт дизель-генераторные установки; ветроустановки 6×500 кВт; 500 кВт солнечная электростанция; 3 МВт, 1,5 МВт∙ч Li-ion-система накопления энергии.

Статус

Выполняется технико-экономическое обоснование проекта.

Основные задачи

Основными задачами ГЭК для объекта является снижение затрат на привозное топливо, но не только. Применение ВИЭ позволит увеличить экспортный потенциал производимой продукции с точки зрения покрытия углеродного следа.

Выводы

Внедрение ВИЭ в гибридные энергокомплексы при правильном определении условий эксплуатации, требуемых режимов работы, состава оборудования, также при обеспечении экономически-эффективного управления приводит к расширению возможностей ГЭК.

Предлагаемый подход является универсальным. Он может быть применён во всех проектах по внедрению ветроэлектростанций как основного источника питания для электроснабжения собственных нужд не только объектов добычи, но и любых объектов на изолированных и труднодоступных территориях. Замена выработки электроэнергии с помощью дизельных генераторов на ветровые установки позволяет не только существенно сократить расходы на топливную составляющую при генерации, но и обеспечить лучшие экологические показатели, помогая достигать поставленных целей в рамках ESG-стратегии* организации. Данное улучшение достигается за счёт снижения выбросов CO2, NOx и др. в атмосферу за счёт использования возобновляемых источников энергии при электроснабжении потребителей.

* ESG-стратегия — принцип управления и развития компании, основанный на трёх базовых факторах: Environment (экология и окружающая среда), Social (социальное развитие), Governance (корпоративное управление).