Балансування енергетичних систем: пошук оптимальних рішень

16 березня 2021

Максимальне використання вже наявних відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) та створення нових є неможливими без системи балансування енергосистеми

Системи накопичення енергії, високоманеврена генерація, міжнародні перетоки та регулювання споживання - це ключові елементи. Перетоки з сусідніми країнами стикаються з фізичними, організаційними та ринковими обмеженнями. Управління попитом на сьогоднішній день залишається малозадіяним навіть у найбільш розвинутих країнах. Відтак, зважаючи на актуальність питання, енергосистема повинна терміново інтегрувати сучасні технології

При розгляді необхідних технологій на сьогодні, варто поміркувати про типи генерації на 10, 20 або 30 років наперед. Яка може бути структура енергосистеми України в майбутньому? Чи буде в ній місце для високоманевреної генерації?  

НЕК Укренерго в «Проєкті звіту з оцінки відповідності (достатності) генеруючих потужностей 2020» підкреслює, що «введення в експлуатацію високоманеврових потужностей зі швидким стартом та швидкодіючих резервів на основі систем акумулювання електричної енергії дозволить забезпечити ОЕС України необхідними резервами регулювання для виконання вимог відповідності в перспективі до 2031 року».

Балансування виключно з допомогою батарей виявиться неможливим 

Оператор системи передачі розрізняє високоманеврену генерацію і системи накопичення енергії (СНЕ) за їх технічними характеристиками та призначенням. Системи накопичення на основі акумуляторних батарей мають миттєву швидкість реакції, але, на відміну від генераторів, здатні віддавати лише ту енергію, яку накопичили. Відомо, що ці технології виконують різні функції в енергосистемі та не можуть одна одну повністю замінити.

Проте часто політики, які не мають достатніх знань у галузі енергетики, а також деякі експерти фокусуються на так званих «батарейках», вважаючи, що СНЕ самі по собі вирішать проблему балансування. Це хибне уявлення.

Навіть у відновлювальній енергосистемі контрольована генерація залишиться необхідною. Хоча в майбутньому вона, можливо, функціонуватиме на відновлювальних паливних джерелах. Якщо не буде такого джерела, енергосистема, що спиратиметься виключно на ВДЕ та системи накопичення, може виявитися занадто дорогою. 

На графіку  нижче – потужність для задоволення пікового попиту в 25 ГВт у безвуглецевій енергосистемі з високоманевреними газопоршневими електростанціями та без них (відповідно, лівий та правий стовпчики).     

Два варіанти складу потужностей 100% відновлювальної енергосистеми для європейської країни за рівнем споживання електроенергії, як в Україні. Джерело: Моделювання Plexos, Wärtislä

«Проект звіту» НЕК Укренерго, аналізуючи СНЕ та генерацію, підкреслює: «в умовах рівності, доцільніше віддавати перевагу «швидкій» генерації через значно більші терміни експлуатації та відсутність обмежень по ємності систем накопичення». Тож, розглянемо «швидку генерацію» детальніше. Зазвичай ці електричні станції називають газовими пікерами. Але чи є ця назва вірною, та які сучасні вимоги до високоманеврених генеруючих потужностей?

Як не слід працювати

Коли частка ВДЕ зростає в енергосистемі, коливання і непередбачуваність такої генерації змінюють профіль навантаження. Іншими словами, ті атомні чи вугільні станції, що колись виробляли енергію з рівномірним графіком, тепер повинні працювати в протифазі з ВДЕ, балансуючи їх коливання. Проте АЕС не можуть цього робити зовсім, а вугільні ТЕС – лише в обмежених межах і з недостатньою швидкістю. Йдеться не лише про денні піки споживання, які зазвичай відмінно прогнозуються, а про постійне підтримання резерву для компенсації непередбачуваних коливань. Як показує практика, раптові зміни в генеруванні ВДЕ здатні бути різкими і суттєвими (див. графік, наданий диспетчерською системою Бразилії).     

 Фактичні показники роботи вітрових електростанцій Бразилії з потужністю 17 ГВт протягом доби. Джерело: Operador Nacional Do Sistema Eletrico

Балансуюча станція має мати можливість перебувати в непрацюючому стані (холодному резерві) та за потреби швидко активуватись на певний час, а після цього так само швидко зупинитись.  

Тому основні технічні критерії для оцінки технології балансування включають швидкість запуску та виходу на повну потужність станції, швидкість зміни навантаження, діапазон регулювання потужності, можливість виконувати багато циклів пуску і зупинки на протязі доби. 

На графіку нижче демонструється типовий режим роботи балансуючої станції на прикладі Baker Inlet Station в Австралії, побудованої на базі 12 газопоршневих агрегатів Wärtislä потужністю 17,5 МВт кожний. Станція працює щодня, з частими пусками агрегатів та частковими навантаженнями в межах 10%-100%. Зрозуміло, що в таких умовах експлуатації слід враховувати не лише технічні можливості станції реагувати на коливання попиту, але й важливість таких показників, як паливна ефективність (особливо при неповних навантаженнях) та відсутність негативного впливу циклічності на витрати на технічне обслуговування (тобто, щоб кількість пусків та зупинок не впливала на час обслуговування).

Графік навантажень газопоршневої станції Baker Inlet, Австралія. Джерело: Australia National Electricity Market Dashboard

У кінцевому підсумку, самі витрати на виробництво електроенергії та надані послуги визначають економічну доцільність для енергосистеми в питаннях будівництва тих чи інших технологій балансування. Також      витрати капіталу та експлуатаційні витрати мають вплив на зацікавленість інвесторів до технологій.

Пікові генератори проти балансувальників     

У маневрених технологіях вживаються терміни пікові генератори (peaker) і балансувальники (balancer). Багато фахівців ще не чітко усвідомлюють різницю між цими поняттями, тому інколи виникає плутанина. Традиційно в енергосистемах без ВДЕ існували станції-пікери, що вмикалися, коли виникала потреба покриття пікових навантажень через сезонні чинники або ж у випадку неочікуваних обставин, таких як системні аварії чи погодні катастрофи. З розвитком зеленої енергетики термін почали вживати й в контексті компенсації коливань генерації з ВДЕ.

Проте, як ми вже з’ясували, з ростом частки ВДЕ завдання балансування виникає в будь-який час доби і багаторазово. І якщо пікери зазвичай будують для роботи протягом обмеженого часу (до 10% від річного ресурсу), то балансери повинні бути готові до постійного балансування під час змін генерації зеленої енергії, що є принциповою відмінністю з огляду на різні вимоги звичних енергосистем і ті, що підлягають збільшенню частки ВДЕ.

Залежно від призначення обираються й технології генерації: функцію пікових генераторів в минулому та сьогодні виконують газотурбінні установки (ГТУ) простого циклу. В зв'язку з обмеженими числами запусків на рік і недовгим використанням ці показники, як вартість пуску і паливна ефективність, не відігравали важливої ролі. Завдяки розвитку технології та адаптації авіаційних турбін до енергетики, газотурбінні установки стали також придатними для балансування. Проте, їх використанню є технологічні обмеження. Наприклад, після кожного запуску ГТУ потребують 30-60 хвилин для повторного старту, їх кількість запусків за добу не може перевищувати кілька, і кожен цикл враховується у розрахунку ресурсів.

Функцію балансувальників найефективніше виконують станції, засновані на технології газопоршневих двигунів. Ці станції працюють імпульсами щодня, виконуючи тисячі пусків на рік, і при цьому частота запусків не впливає на їх вартість, а паливний ККД є найвищим із усіх доступних технологій простого циклу.

 Сравнення типового пікача і типового балансувальника за даними операторів станцій

У звіті Bloomberg NEF торік було прогнозовано, що коефіцієнт використання встановлених потужностей високоманеврених станцій буде зростати. Це означає, що їх паливна ефективність також стане дедалі важливішою. Таким чином, використання газотурбінних станцій для балансування доцільно, якщо вони вже є в енергосистемі. Проте, через відносно високу вартість кожного запуску ГТУ і ще нижчий ККД, під умови, що балансери повинні працювати до 40% часу, інвестиції в нові газотурбінні станції мають суттєві обмеження.

Згідно зі звітом НЕК «Укренерго», затвердженим НКРЕКП у 2020 році, енергосистема потребує «впровадження не менше 2 ГВт високоманеврових потужностей, що здатні забезпечити запуск та зупинення не менше чотирьох разів протягом доби з діапазоном регулювання не менше 80% від установлюваної потужності».

На практиці кількість запусків та зупинок щорічно зростає через збільшення частки ВДЕ. Вражаючий приклад - британська станція Centrica Brigg, що складається з п’яти газопоршневих агрегатів (ГПА). Вона в середньому виконує 7,3 запуску на добу, а іноді й до 15. Запуски ГПА відбуваються як спільно, так і почергово - в залежності від потрібної потужності - і повністю автоматизовані.

Фактична кількість пусків і зупинок кожного з агрегатів впродовж місяця на газопоршневій станції Centrica Brigg. Джерело: Дані оператора станції.

Детальніше про технології

Давайте детальніше розглянемо технології балансувальника та піковика з точки зору основних характеристик для інтеграції ВДЕ.

• Режим балансування

Сучасні газопоршневі станції можуть досягати повного навантаження за 2 хвилини з моменту отримання команди на запуск з непрацюючого стану і так само швидко зупинятися. Через 3 хвилини станція готова до наступного циклу. Кількість запусків необмежена і не впливає на ресурс чи графік технічного обслуговування.

Сучасні авіаційні газові турбіни потребують 10 хвилин, а промислові ГТУ – 15 хвилин для старту та набору потужності, а також мають тривалий час зупинки. Це вплине на витрати пального на протязі перехідних процесів. Кількість цикла на добу, як правило, обмежується кількома, а кожен цикл має вартість, яка ґрунтується на «еквівалентному годиннику напрацювання». Це скорочує міжремонтні інтервали, адже технічне обслуговування ГТУ проводиться залежно від відпрацьованих годин.

• Витрати пального

ККД газопоршневих двигунів дорівнює 48-51% при повному навантаженні, що приблизно на 8% процентних пунктів вищий, ніж у авіаційних газових турбін, та на 12% вищий порівняно з потужними турбінами при повному навантаженні. Часткові навантаження на газопоршневі двигуни також менш впливають на ККД, ніж на газових турбінах, які споживають більше пального при неповному навантаженні.

З 80-х років 20-го століття поршневі двигуни стали більш ефективними порівняно з газовими турбінами. Протягом останніх 30 років вони розвивалися, покращуючи одиничну потужність і ККД, а також здатність працювати на різноманітному паливі, включаючи можливість переходу на відновлювальні види пального без зміни основного обладнання.

Динаміка зміни ККД провідних зразків технологій генерації. Джерело: дані виробників
 

• Експлуатаційна гнучкість для балансування мережі

Газопоршневі двигуни не мають обмежень щодо мінімального навантаження, зокрема, вони здатні працювати в діапазоні від 0 до 100% номінальної потужності. Завдяки багатостановочності та каскадному з'єднанню агрегатів такі станції підтримують високий ККД в усьому діапазоні регулювання. Наприклад, енергетична станція, що складається з 10 агрегатів по 10 МВт, працюватиме з максимальною ефективністю на навантаженнях від 10 МВт до 100 МВт. Повний діапазон стабільного навантаження для неї буде 99%.

Більшість газових турбін мають екологічне обмеження мінімальної потужності на рівні 50%. Для розширення діапазону потужності виробники вживають заходів, що можуть одночасно зменшити вплив часткових навантажень на ККД, досягаючи в окремих випадках рівня мінімальної потужності 40%. Конкретне значення для кожного проекту залежить від місцевих умов та вимог.

Залежність ККД газових турбін від потужності приводить до вибору, в основному, ГТУ потужністю 50 МВт та більше. З урахуванням планового виведення на технічне обслуговування (ТО) це вплине на доступну потужність, що періодично дорівнює 50% для 100 МВт станції. У разі десяти газопоршневих двигунів по 10 МВт доступна потужність ніколи не буде меншою за 90%.

• Деградація протягом терміну служби

Газопоршневі двигуни зберігають свої експлуатаційні характеристики на протязі всього терміну служби – їх потужність не знижується, а питома витрата пального відновлюється після ремонтів практично до початкового рівня. У газових турбінах, в свою чергу, під час експлуатації потужність і ККД зменшуються, і ці втрати не можуть бути повністю компенсовані через капітальний ремонт.

Ресурси ГТУ та ГПА порівнянні. Треба зазначити різницю між ГПА: середньообертові двигуни (500-750 об/хв) широко застосовуються в енергетиці завдяки більшим одиничним потужностям і високому ККД, а також нижчим експлуатаційним витратам, порівняно з високообертовими двигунами (1000 об/хв і більше). Але найбільша різниця полягає у проєктному ресурсі двох схожих технологічних платформ. Загальний ресурс середньообертових ГПА не нормується і подовжується після кожного циклу ТО (112 тис. години напрацювання). Замість повного ресурсу застосовується поняття економічно обґрунтованого терміну служби.

Високообертові двигуни мають обмежений ресурс, наприклад, 80 тис. год.

• Витрати на обслуговування

Незалежно від числа запусків на добу, графік ТО газопоршневих двигунів заснований на фактичних годинах напрацювання. ТО газової турбіни за частих пусків, як уже зазначалося, зазвичай розраховане на кількість запусків, що призводить до  значно вищих витрат на технічне обслуговування у порівнянні з роботою на базовому навантаженні.

• Залежність від екологічних умов

Високі температури навколишнього середовища мало впливають на роботу газопоршневих електростанцій, але викликають зниження потужності і ККД газових турбін.

З поглядом на майбутнє

Існує безліч особистих поглядів та колективних уявлень про «найкращий шлях» до майбутнього. Хтось вірить у поступальний розвиток енергетичного переходу, а хтось прагматично оцінює потенціал енергосистем до значних змін. Але як об'єктивно оцінити можливі сценарії?

Минулого року в Україні було представлено велике дослідження сценаріїв розвитку енергосистеми до 2050 року від Wärtislä. Компанія здійснила моделювання за допомогою високоточного інструменту PLEXOS, визначивши оптимальний та найдешевший варіант складу потужностей для кожного з наступних 30 років. Очікується, що через зниження вартості технологій ВДЕ до кінця десятиліття розпочнеться стрімке нарощування потужностей вітрової та сонячної генерації на масштабах, які ще не були зафіксовані. Для балансування енергосистеми потрібно буде створити 17,7 ГВт високоманевреної генерації (газопоршневих станцій) та 18,3 ГВт систем накопичення енергії. Така комбінація є найнадійнішою як з економічної, так і технічної точки зору, оскільки забезпечить стійкість енергосистеми за найнижчої вартості для споживачів.

Моделювання диспетчеризації енергосистеми для покриття навантажень кожні 2 години протягом 30 років у PLEXOS дало можливість побачити експлуатаційні профілі різноманітних видів генерації в будь-який момент цього періоду. Ось як виглядає прогнозний графік роботи газопоршневої станції в січні 2030 року. Помітно, що він нагадує графік фактичних навантажень станції Baker Inlet в Австралії сьогодні.

Розрахунковий експлуатаційний профіль гіпотетичної газопоршневої станції у моделі PLEXOS

Змодельована оптимальна енергосистема на 83% безвуглецева. Щоб досягти повністю відновлюваної енергосистеми, газові балансуючі потужності повинні в певний момент перейти на відновлювальні пального. Активні дослідження та розробки в області виробництва зеленого водню, синтетичного метану, аміаку та ін. обіцяють появу таких пального у майбутньому за доступною ціною. А виробники генеруючого обладнання вже сьогодні обіцяють швидкий підтвердження здатності працювати на паливі майбутнього.

Таким чином, інвестиції у високоманеврену генерацію мають добрі перспективи на майбутнє.

Спеціально для "Української енергетики",

Ігор Петрик, Директор з розвитку ринків Wärtislä Energy, Східна Європа 

Сергій Зубарєв, Директор з розвитку бізнесу Wärtislä Energy, Східна Європа

Теги:Поділитись