Основной проблемой энергоснабжения северных территорий, где, например, по оценке Российского энергетического агентства, работает более 900 ДЭС с выработкой электроэнергии 2,54 млрд кВт·ч/ год, является низкая эффективность их работы из-за изношенности оборудования, при которой себестоимость производимой энергии находится в диапазоне 15–150 руб/кВт·ч.
Учитывая наличие высокого ветропотенциала, предложено создание эффективной системы энергоснабжения для северных территорий, обеспечивающей высокую долю замещения дизельного топлива при максимальном использовании ресурса ВИЭ.
Оптимизация и модернизация существующих систем энергоснабжения приполярных территорий может эффективно проводиться на основе создания энергокомплексов на базе ВИЭ, например, в составе ветродизельных электростанций (ВДЭС), обеспечивающих высокую долю замещения дальнепривозного дизельного топлива.
При этом такие энергокомплексы должны быть адаптированы к суровым северным условиям (низкие температуры — до –50 °C, возникновение изморози, наличие вечномёрзлых грунтов основания и другие экстремальные условия).
Для создания эффективной и конкурентоспособной системы энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии решены следующие задачи:
1. Разработка методики достоверной оценки ресурсов ВИЭ в месте размещения ЭК в условиях ограниченной метеорологической и природно-климатической информации.
2. Разработка методики расчёта оптимальных параметров и режимов работы автономного энергокомплекса для энергоснабжения удалённых потребителей в суровых климатических условиях.
3. Разработка концепции модульной автономной системы энергоснабжения на базе ВДЭС с унифицированным энергетическим блоком, адаптированным для работы в российских северных условиях, позволяющим формировать энергокомплекс требуемой мощности.
4. Разработка интеллектуальной системы преобразования, управления и распределения энергии ЭК, позволяющую интегрировать энергокомплекс на основе ВИЭ в автономную систему энергоснабжения в качестве активно-адаптивной установки для обеспечения надёжного и эффективного энергоснабжения потребителей.
5. Разработка методики расчёта техникоэкономических показателей и инвестиций в ЭК на базе ВИЭ для автономных регионов энергоснабжения с обеспечением требуемой надёжности и экономичности под требуемый график энергопотребления объекта с учётом ресурсной обеспеченности, схем и особенностей формирования тарифов в этих регионах, адаптированного к этим условиям оборудования и технологий строительства, природно-климатических, социальноэкономических, транспортных, логистических и экологических факторов.
6. Разработка и создание отечественной ВЭУ, оптимальной для северных условий мощности (50–100 кВт) под возможности северной транспортной логистики, природно-климатические условия и ресурсы ВИЭ.
7. Использование специально адаптированного дизель-генератора базовой мощности (200–300 кВт), позволяющего реализовать требуемые режимы работы.
При обосновании параметров автономного энергокомплекса на возобновляемые источники энергии в месте размещения необходимо учесть ряд факторов, таких как климатические и энергетические ресурсы, технические, экономические и экологические условия, транспортные и логистические особенности доставки оборудования, параметры и характеристики используемого оборудования.
Для такого обоснования необходимо решать многокритериальную задачу принятия решения, состоящую в оптимизации по нескольким критериям.
При этом главным критерием оптимизации являются удельные дисконтированные затраты на производство электроэнергии: УДЗ → min.
Величина УДЗ представляется как дисконтированная стоимость производства электроэнергии CLEV (Levelized Discounted Electricity Generation Cost) и рассчитывается по формуле:
где t — текущий год на горизонте планирования; Сt — полные затраты электростанции (капитальные, на топливо, эксплуатацию и вывод из эксплуатации); Wt — производство электроэнергии (кВт·ч в год); d — ставка дисконтирования; Tв — дата подачи заявки на тендер; Td — момент приведения разновременных затрат, то есть дата, к которой приводятся расчёты; T0 — дата начала коммерческого производства электроэнергии; Tl — дата окончания срока жизни установки; Te — дата снятия электростанции с эксплуатации (дата снятия электростанции с эксплуатации Te может не совпадать с датой окончания срока жизни установки Tl). Момент приведения Td может выбираться собственником или инвестором и, как правило, он совпадает или с датой подачи заявки на тендер или с датой начала эксплуатации, то есть началом коммерческого производства электроэнергии.
В зависимости от особенностей проекта энергоснабжения рассматриваются и другие критерии:
- вредные выбросы в атмосферу в эквивалентном значении: CO2 < CO2max;
- время автономности (время автономной работы без технического обслуживания): Ta > Tamin;
- максимум полезной выработки возобновляемой энергии: WВИЭ > WВИЭmin.
Для поиска оптимальной структуры энергокомплекса с учётом обозначенных выше критериев оптимальности разработана методика выбора оптимальных параметров и режимов работы автономного энергокомплекса на основе ВИЭ в реальных условиях эксплуатации в месте размещения.
Методика включает в себя последовательное решение из четырёх блоков (рис. 1).
В блоке 4 сформирован алгоритм и реализована финансово-экономическая модель энергетического комплекса на ВИЭ, функционирующего в автономной системе энергоснабжения конкретного населённого пункта или объекта с обоснованными в блоках 2 и 3 техническими и режимными параметрами и задаваемыми из блока 1 данными по ресурсному потенциалу и особенностям региональной экономики.
Данная модель формируется на основе баланса денежных притоков и оттоков на каждом расчётном шаге жизненного цикла проекта с учётом существующей и прогнозируемой региональной базы: тарифов на электроэнергию, цен на дизельное топливо, налогового окружения, налоговых льгот, инфляции, системы кредитования, рисков и т.д.
Представленный подход был использован при проектировании и техникоэкономическом анализе ВДЭС поселка Амдерма (мощность ДЭС — 1050 кВт, ВЭС — 250 кВт, объём производства энергии — 2790 МВт·ч), строительства которой завершено осенью 2016 года.
На рис. 2 показаны расчётные зависимости расхода топлива от мощности ВЭС в составе ВДЭС с различным составом дизель-генераторных установок.
В результате анализа рынка ВЭУ и отсутствия оборудования, соответствующего природным особенностям места размещения энергокомплекса, для проекта ВДЭС в посёлке Амдерма (НАО) предложено использовать ВЭУ мощностью 50 кВт китайского производства, для которых внедрены мероприятия по адаптации под российские условия, разработанные Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого и компанией VTR Engineering.
Оптимизация системы электроснабжения наряду с интеграцией четырёх ВЭУ в посёлке Амдерма позволяет снизить:
- расходы на собственные нужды ДЭС с 510 тыс. до 160 тыс. кВт·ч (более чем в три раза);
- расход дизельного топлива с 719 тыс. до 500 тыс. л (на 30 %), то есть на 169 тыс. л в год;
- объёмы выбросов СО2 на 600 тонн.
Эффект за счёт сокращения объёма привозного топлива составляет около 7 млн руб/год, с учётом снижения экономически обоснованного тарифа на 34 % за счёт снижения издержек на эксплуатацию и расходы собственных нужд системный эффект оценивается около 30 млн руб. в год.
Выводы
1. Высокая стоимость тарифа на электроэнергию в автономных и децентрализованных зонах энергоснабжения и наличие высокого потенциала ВИЭ создают хорошие предпосылки для строительства ВДЭС с высокой долей замещения.
2. Предложена методика выбора параметров и режимов работы энергокомплексов на базе ВИЭ, включающая оценку ресурсного потенциала в условиях дефицита природно-климатической информации, выбор и оптимизацию состава и параметров оборудования с системой интеллектуального управления, обеспечивающая высокое замещение дизельного топлива.
3. Реализация принципов многоцелевого комплексного подхода к созданию и оценке эффективности проектов энергокомплексов на базе возобновляемых источников энергии обеспечивает повышение научно-технического уровня и инвестиционной привлекательности проектов для отдалённых районов в суровых природно-климатических условиях.
