Роль распределенной генерации в реализации концепции Smart Grid

Авторы приходят к выводу, что полномасштабное развитие распределенной генерации должно сочетаться с развитием технологий Smart Grid, обеспечивающих возможности ее интеграции в единую энергетическую систему с интеллектуальной системой управления.

Ключевые слова: Smart Grid, распределенная генерация, интеграция, микросети

Роль распределенной генерации в реализации концепции Smart Grid

И.О. ВОЛКОВА, доктор экономических наук, заместитель директора Института проблем ценообразования и регулирования естественных монополий ГУ-ВШЭ, E-mail: iovolkova@hse.ru Б.Б. КОБЕЦ, кандидат технических наук, научный руководитель Центра энергоэффективности ЕЭС, Москва. E-mail: Kobets_b@cef-ees.ru

За рубежом сейчас происходит переход к инновационному преобразованию электроэнергетики на основе концепции Smart Grid. Это полностью интегрированная, саморегулирующаяся и самовосстанавливающаяся электроэнергетическая система с сетевой топологией, включающая все генерирующие источники, магистральные и распределительные сети и все виды потребителей электрической энергии, управляемая единой сетью информационно-управляющих устройств и систем в режиме реального времени1.

В рамках концепции Smart Grid заинтересованность всех сторон (государства, потребителей, регуляторов, энергетических компаний, сбытовых и коммунальных организаций, собственников, производителей оборудования и др.) отражена в ключевых требованиях к новой электроэнергетике - это доступность, надежность, экономичность, эффективность, эко-логичность и безопасность. Реализация этих ценностей, по мнению идеологов концепции Smart Grid, может быть обеспечена как за счет традиционных, так и новых функциональных свойств или принципиальных характеристик энергосистемы (рис. 1).

1 European Commission Directorate-General for Research Information and Communication Unit European Communities: «European Technology Platform Smart Grids, Vision and Strategy for Europe's Electricity Networks of the future», European Communities, 2006.

ЭКО. - 2011. - №4

И.О. ВОЛКОВА, Б.Б. КОБЕЦ

Одним из ключевых элементов рассматриваемой концепции служит распределенная генерация, под которой понимается многообразие типов электростанций и систем аккумулирования электроэнергии2.

Распределенная генерация - это направление развития энергетики, предусматривающее создание источников распределенных энергетических ресурсов непосредственно у множества потребителей, производящих тепловую и электрическую энергию как для собственных нужд, так и направляя излишки в общую сеть. В качестве генерирующих источников выступают когенерационные установки (далее - КГУ) малой и средней мощности, позволяющие добиться высокой эффективности использования топлива (до 90%) и генерирующие установки на базе возобновляемых источников энергии. Это направление характеризуется энергобезопасностью, энергосбережением и энергоэффективностью, снижением негативного влияния на окружающую среду, экономичностью и др.

В соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2030 года» доля распределенной генерации в нашей стране может достичь 20% от общего объема производства электроэнергии3.

Самовосстановление после аварийных отключений

Сопротивление негативным влияниям

Расширение рынков мощности и энергии до конечного потребителя

Многообразие типов электростанций и систем аккумулирования электроэнергии

Оптимизация управления активами

Обеспечение надежности и качества энергоснабжения

Активный потребитель

Определяющий фактор достижения ключевых ценностей - управление как альтернатива экстенсивному наращиванию мощностей

Рис. 1. Развиваемые характеристики электроэнергетики

2 «Grids 2030». A National Vision for Electricity's Second 100 years. Office of Electric Transmission and Distribution of USA Department of Energy, 2003.

3 Распоряжение Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. №1715-р «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года».

Предполагается, что усовершенствованные стандарты технического присоединения позволят подключать к системе электрогенерирующие источники с любым уровнем напряжения (рис. 2).

У потребителей должны быть возможности создавать собственные генерирующие и аккумулирующие мощности, в первую очередь, экологически чистые источники энергии, такие, как ветровые, био- и солнечные электростанции.

Распределенная генерация

«Умные сети», «умные» приборы, умные энергосистемы

Микросети, микрогенерация

Источник. Развитие технологий в энергетике //Материалы экспертного семинара. - М., Школа управления «Сколково». - 2010. - 25 марта.

Рис.2. Структура распределенной генерации Концепция Smart Grid должна упростить взаимосвязь распределенной генерации и систем хранения электроэнергии посредством создания системы, близкой к концепции Plug and Play («подключи и работай»), применяемой в современных компьютерных системах. Но распространение распределенной генерации порождает и новые проблемы: перебои и резкие понижения напряжения в сети, решить которые возможно посредством более интенсивного привлечения информации, диалога, «интеллектуального» контроля и правильной конфигурации распределенной генерации, хранения и управления спросом на электроэнергию.

_ И.О. ВОЛКОВА, Б.Б. КОБЕЦ

Предполагается, что в будущем энергосистемы будут функционировать на основе тесного взаимодействия между централизованными и распределенными генерирующими мощностями. Управление распределенными генераторами возможно за счет образования микросетей, или «виртуальных» электростанций, интегрированных как в сеть, так и в рынок электроэнергии и мощности, что будет способствовать повышению роли потребителя в управлении энергосистемой.

Так, микросеть может включать, например, две системы когенерации (1253 и 7000 кВт), систему хранения энергии (12000 кВт), источник солнечной энергии (112 кВт) и VOC генератор (300 кВт)4.

Как и централизованная сеть, микросеть, или виртуальная станция, может генерировать, распределять и регулировать поток электричества потребителям. Бтаг^микросети объединяют локальные источники резервного питания и аккумулирования энергии, обладают более высоким уровнем гибкости и позволяют подключать более широкий диапазон генерирующих источников энергии, также ветровые и солнечные, интеграция которых представляет собой проблему для централизованной энергетической системы.

Микросети станут частями национальной энергетической системы: они связаны с региональными сетями, а через них -с национальной электрической сетью. Электроэнергия от микросетей будет направляться к потребителям и обратно в региональную сеть в зависимости от условий спроса и предложения. Мониторинг и регулирование в масштабе реального времени обеспечат информационный обмен и позволят мгновенно обрабатывать все поставки на национальном уровне. Потребители получат возможность корректировать поставки электричества в соответствии с потребностями. Энергопотребляющие приборы внутри жилых зданий и заводов связываются с микросетью системой датчиков и регуляторов.

Автономные или подключенные к национальной энергетической сети микросети могут размещаться в непосредственной близости от потребителей (небольших городов, деревень, заводов) и производить электроэнергию «на месте». При этом

4 URL: Ьйр:^world.honda.com/environment/ecology/2008report/japan/ ]арап33/

за счет существенного снижения потерь при передаче по проводам КПД повысится с 35-40% до 80%5.

Smart-микросети позволяют эффективно удовлетворять растущий потребительский спрос за счет роста поступлений электроэнергии из возобновляемых источников. Эффективность их внедрения, по оценкам ученых из США, в 4 раза может превысить эффективность существующих сетей за счет выгод в экономике, связанных с надежностью и эффективностью использования электроэнергии потребителями6.

Новые технологии хранения электроэнергии будут применяться в качестве инструментов управления спросом, позволяя сделать график более равномерным. Структура генерации будет включать крупные центральные электростанции и распределенные энергетические ресурсы с разным набором эксплуатационных характеристик. Комбинация различных типов генерации возможна на общей основе, с целью оптимизации затрат, надежности и эффективности и сведения к минимуму негативного воздействия на окружающую среду. Кроме того, интеграция распределенных энергоресурсов увеличивает устойчивость всей системы, поскольку обеспечивает большое количество источников электроэнергии и позволяет создавать изолированные энергосистемы.

Важную роль распределенная генерация играет и в расширении рынков электроэнергии, обеспечивая открытый доступ на них активного потребителя и распределенной генерации, способствуя повышению результативности и эффективности розничного рынка. Энергосистема на базе концепции Smart Grid предоставит большие возможности по выходу на рынок как потребителей, так и производителей за счет увеличения пропускной способности магистральных сетей, коллективного управления потреблением, расположения источников энергии в распределительных сетях ближе к потребителям. При этом изменение статуса потребителя, который станет участником рыночных отношений, создавая собственные источники электроснабжения, будет способствовать развитию конкурентной среды, стимулировать предприятия

5 URL: http://elementy.ru/news/164839

6 European Commission Directorate-General for Research Information and Communication...

_ И.О. ВОЛКОВА, Б.Б. КОБЕЦ

отрасли к изменению привычных подходов и бизнес-моделей, ставших неэффективными в современных условиях.

По оценкам The National Energy Technology Laboratory (USA), реализация концепции Smart Grid позволит получить широкий спектр эффектов. Роль распределенной генерации по каждой из ключевых ценностей можно определить следующим образом.

Надежность: распределенная генерация действует как «страхующий» ресурс, а прогрессивные конфигурации микросетей могут дополнительно интегрировать функционирование этих технологий на местном уровне.

Экономичность и эффективность: она используется для управления спросом и в некоторых случаях играет роль ресурсов «на продажу» на рынке электроэнергии, тем самым помогая снизить пиковую нагрузку. Кроме того, снижаются потери электроэнергии при передаче и распределении.

Улучшение состояния окружающей среды за счет включения в состав распределенной генерации большого количества возобновляемых источников, новых технологий хранения и высокоэффективных установок для комбинированного производства электроэнергии и тепла.

Безопасность и доступность: распределенные источники, функционирующие независимо либо в местной микросети, существенно снизят влияние природных катаклизмов или террористической деятельности, за счет децентрализации, разделения по типу топлива и диверсификации по географическим регионам.

Один из наиболее сложных вопросов развития распределенной генерации при внедрении концепции Smart Grid - совместимость двух технологических укладов в энергетике, преемственность перехода от существующей технологической базы энергетики к новой с минимально возможными издержками (это вдвойне актуально для России, которой предстоит ускоренно преодолеть растущий технологический разрыв с ведущими индустриальными странами).

В США и Европейском союзе эти проблемы решаются путем создания нормативного поля - системы стандартов и требований к функциям, элементам, устройствам, системе взаимодействий и т.д. (например, в США планируется разработка более 100 видов стандартов), в рамках которых

разработчикам и производителям предоставлено право и возможность создания предложения, а пользователям (энергетическим компаниям и потребителям) - формирования «собственных» Smart Grid (по принципу пазла).

Охарактеризуем ключевые моменты перехода к новой структуре генерирующих мощностей.

Хотя множество распределенных генераторов может произвести существенную долю электроэнергии в энергосистеме, без должного управления и при дальнейшей пассивной эксплуатации распределительных сетей эти генераторы не смогут заместить мощность существующих классических электростанций, поскольку последние продолжат в полном объеме оказывать системные услуги (регулирование частоты и напряжения, обеспечение резервов мощности и пр.), требуемые для поддержания надежности электроснабжения. По ряду политических и экономических причин в Европе, например, ожидается значительный рост распределенной генерации, и если сохранится статус-кво в системе управления сетями, то ввод распределенной генерации потребует роста мощности как магистральных, так и распределительных сетей.

В то же время полностью интегрированная распределенная генерация может взять на себя часть системных услуг, уменьшая роль централизованной. В этом случае распределенная генерация будет способна заместить не только электроэнергию, производимую крупными электростанциями, но и мощность, и, следовательно, снизить необходимую мощность магистральных и распределительных сетей. Для этого необходима смена парадигмы управления энергосистемой -от концепции централизованного управления - к распределенному управлению.

При этом большая часть энергетических активов (выключатели, генераторы, каналы, кабели, провода, трансформаторы и др.) остаются на службе, некоторые из них будут заменены со временем, но в целом основное оборудование, которое обеспечивало электроснабжение экономики большинства стран в течение уже 100 лет, в общих чертах не изменится. Новые условия и катализаторы развития отрасли сформируют потребность в разработке и внедрении новых технологий и элементов, обеспечивающих:

ЭКО. - 2011. - №4

_Н.И. СУСЛОВ

• движение потоков электроэнергии и информации от энергетических компаний к потребителям и обратно;

• постоянный контроль за всеми элементами сети - от работы электростанций до предпочтений клиентов и потребления электроэнергии индивидуальными устройствами;

• интеграцию возобновляемых источников, распределенных средств выработки, средств хранения электроэнергии, технологии рекуперации тепла и механизмов реагирования спроса в единую систему распределения и передачи элек-троэнергии7, которая позволит компаниям справляться с пиковыми нагрузками.

7 Понятие реагирования спроса (англ. - demand response) предполагает наличие автономных механизмов, выдающих потребителям рекомендацию сокращать потребление энергии во время пиковой нагрузки. Когда энергопотребление достигнет пика, умная сеть отправит, например, в подключенные к ней кондиционер воздуха и сушилку для белья цифровое сообщение с просьбой снизить потребление энергии. Потребители будут иметь возможность отклонять подобные просьбы.

Ключевые слова: модернизация электроэнергетики, «умные сети», зарубежный опыт, угольная генерация, ценообразование

И все же вопросы остаются. Не столько «Что делать?», сколько «Как делать?»

Н.И. СУСЛОВ, доктор экономических наук, Институт экономики и организации промышленного производства СО РАН, Новосибирск. E-mail: nsus@ieie.nsc.ru

В свете предстоящего развития России и Сибири на 10-20 лет вперед вопросы энергообеспечения экономического роста и повышения комфортности жизни людей являются первостепенными. Уже в настоящее время, несмотря на переживаемый кризис, энергетика обещает стать фактором, лимитирующим экономический рост. Причины лежат как в исторической ретроспективе, так и формируются сейчас. Очень