Оценка эффективности перспективных систем электроснабжения сельскохозяйственного района

УДК 620.9+631.371

оценка эффективности перспективных систем электроснабжения сельскохозяйственного района

В.Н. ДЕЛЯГИН, доктор технических наук, главный научный сотрудник

Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства СФНЦА РАН, пос. Краснообск, Новосибирский р-н, Новосибирская обл., 630501, Российская Федерация

Резюме. В Российской Федерации протяженность сельскохозяйственных линий электропередач составляетоколо 2,8 млн км (более 80 % от общей длины линий электропередач в стране). Технологический прогресс систем генерации рассредоточенных систем и возобновляемых источников энергии ставит вопрос о целесообразности сохранения традиционной централизованной системы электроснабжения. Цель исследования - провести сравнительную оценку эффективности перспективных систем электроснабжения, позволяющую сформировать концепцию развития систем электроснабжения сельских районов. Основным методом исследований был метод нормализованной стоимости электроэнергии (LCOE). Дополнительно использовали методы энергетического анализа, алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие оценить энергетическую безопасность различных систем электроснабжения сельских районов с использованием теории нечетких множеств. Наиболее экономически эффективны следующие системы генерации: децентрализованные источники энергии - газовые мини-станции (мощностью до 4 кВт) и традиционные системы централизованного электроснабжения - LCOE от 5 до 6 руб./кВт-ч. У автономных источников электроснабжения (мощность до 1000 кВт, уголь, дизельное топливо) показатель LCOE составляет от 8 до 10 руб./кВт-ч. Для возобновляемых источников энергии (ветер, солнечная энергия) без подключения к электрическим сетям он равен 18-20 руб./кВт-ч. Для системы централизованного электроснабжения коэффициентэнергетической безопасности (КЭБ) равен 0,521, для схемы электроснабжения бытовых потребителей на основе автономной солнечной электростанции с частичнымдублированием от дизель -электрической станции (ДЭС) мощностью до 4 кВт - 0,813. По результатам энергетического анализа наиболее эффективные по показателю LCOE такие источники генерации, как автономные электрические станции, работающие на качественном топливе (дистилляты, газ) и имеющие суммарные затраты энергии зажизненный цикл на 10-20 % ниже, чем централизованные источники энергии. Перспективная структура генерирующих источников должна основываться на сочетании различных источников электроэнергии -централизованной (около 70 %) и рассредоточенной генерации (до 30 %). Автономные источники электроснабжения на основе солнечных фотоэлектрических станций могут стать основными источниками электроэнергии для 20-35 % бытовых потребителей. Ключевые слова: система электроснабжения, сельскохозяйственные потребители, нормализованная стоимость электроэнергии, энергетическая эффективность, материальные затраты, реконструкции, линии электропередач, трансформаторные подстанции, сельскохозяйственное производство, бытовые потребители.

Для цитирования: Делягин В.Н. Оценка эффективности перспективных систем электроснабжения сельскохозяйственного района //Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. №3. С.

В стране около 2,8 млн км сельскохозяйственных линий электропередач (более 80 % от общей длины линий электропередач). Современная стоимость 1 км воздушных линий электропередач (ВЛ) класса 0,4-10 кВ составляет 800-1200 тыс. руб. (в 1975 г. - 2 тыс. руб./км). Для полной реконструкции системы электроснабжения, без учета стоимости трансформаторных подстанций, необходимо 2-4 трлн руб.

Существующая система электроснабжения сельскохозяйственных районов в нашей стране была сформирована к 70-80 гг. прошлого века. Массовый ввод линий электропередач в относительно короткий

(15-20 лет) период предполагает и массовый их выход после 50-70 лет эксплуатации.

Вовлечение новых высокоэффективных возобновляемых источников электроэнергии (в первую очередь фотоэлектрических модулей, поскольку стоимость производства «солнечного» кремния соответствует цене оконного стекла) в структуру топливно-энергетического баланса потребителей правомерно ставит вопрос о целесообразности сохранения существующей централизованной системы электроснабжения и затрат на ее поддержание. Все это позволяет определить задачу выбора оптимальной системы электроснабжения как актуальную и имеющую большое значение.

Однако в таком случае традиционные методы обоснования коммерческой эффективности инвестиций в перспективные системы электроснабжения на долгосрочный период (15-20 лет) не применимы. Использование общественной оценки эффективности проектов при неопределенной эффективности экспорта энергоресурсов и экологической безопасности технологий не позволяет использовать этот метод в качестве единственного.

Цель исследований - провести оценку эффективности перспективных систем электроснабжения, позволяющую сформировать концепцию развития систем электроснабжения сельских районов на основе оптимального соотношения генерирующих мощностей различных источников.

Условия, материалы и методы. При проведении исследований мы использовали следующие методы:

оценка нормализованной стоимости получаемой электроэнергии (levelized cost of electricity - LCOE), которая определяется как стоимость капитальных и операционных расходов на получение электроэнергии в течение всего жизненного цикла оборудования (total life-cycle cost), деленная на полный объем полученной за этот период энергии [1];

энергетическая оценка эффективности с использованием показателя EROEI (Energy Return On Energy Invested) -отношение энергии полученной к энергии затраченной. Этот показатель учитывает все затраты, включая производство и обслуживание в течение всего срока эксплуатации, а также утилизацию отработанного оборудования, используемого для получения, переработки и транспортировки энергии, восстановление и рекультивацию нарушенных природных объектов, затраты на ликвидацию аварий и экологического ущерба окружающей среде.

При анализе различных вариантов электроснабжения использовали показатели материалоемкости, трудозатрат, расхода первичного топлива, экономической и техногенной безопасности сельскохозяйственных потребителей.

Для оценки энергетической безопасности вариантов развития систем электроснабжения были сформулированы риски и обоснована система индикаторов энергетической безопасности. Приняты следующие критерии оценки риска:

ограничения на объемы использования электроэнергии - limited, % от номинального потребления электроэнергии. Определяются на основании возможных энергоэкономических ограничений со стороны энергоснабжающей организации. В алгоритме расчета используется величина (100 % - limited).

время суммарных перерывов электроснабжения у потребителя - time_of_switch, ч/год. Рассчитывается на основании показателей параметров потока отказов по элементам системы электроснабжения.

величина тарифа на отпускаемую электроэнергию -cost, руб./кВт • ч. Принимается на основании расчета величины тарифа на отпускаемую электроэнерги ю и экспертных оценок потенциальных потребителей электроэнергии.

Ранжирование критериев осуществляли на основе описания функций принадлежности и материалов ранее проведенных исследований по технико-экономической оценке систем электроснабжения [2].

Функции принадлежности сформированы с использованием функций Гаусса с фиксацией уровней «хорошо», «плохо» и «удовлетворительно» для выбранных критериев оценки.

Количественную оценку безопасности осуществляли методом, основанным на использовании нечеткой логики (алгоритм Мамдани) [3].

Рациональную структуру источников электроснабжения определяли методами линейного программирования [4]. Ограничения на объемы использования электроэнергии задавали с возможностью списания с баланса электрических сетей 10 кВ с темпом 0,5 %/год. Суммарные затраты на электроснабжение района минимизировали на основе нормализованной стоимости получаемой электроэнергии.

Объект исследований - система электроснабжения типичного сельскохозяйственного района (Купинский район Новосибирской области, табл. 1).

Рассмотрены следующие схемы электроснабжения: 1-автономная электрическая станция, работающая на угле, мощностью до 1000 кВт (АЭС уголь); 2 - автономная электрическая станция, работающая на мазуте, мощностью до 1000 кВт (АЭС-мазут); 3 - автономная электрическая станция, работающая на сетевом газе, мощностью до 1000 кВт (АЭС газ); 4 - автономная электрическая станция, работающая на дизельном топливе, мощностью до 4 кВт (мини-ДЭС); 5 - автономная ветроэлектрическая станция мощностью до 4 кВт (АВЭС); 6 - автономная фотоэлектрическая станция мощностью до 4 кВт (СФЭС); 7 - автономная электрическая станция, работающая на биогазе, мощностью до 1000 кВт (АЭС биогаз); 8 -автономная электрическая станция, работающая на диз-топливе, мощностью до 1000 кВт (ДЭС); 9 - централизованное электроснабжение от конденсационной электрической станции на угле (ЦЭС уголь); 10 - централизованное электроснабжение от конденсационной электрической станции на сетевом газе (ЦЭС газ).

При анализе рассматривали следующие стадии энергетического потока и элементы системы: 1 - потребление, 2 -воздушные линии 0,4 кВ (ВЛ 0,4 кВ), 3 - трансформаторные подстанции (ТП 10/0,4 кВ), 4 -воздушные линии 10 кВ (ВЛ 10 кВ), 5 - районная трансформаторная подстанция 110-35/10 кВ (РТП 110-35/10кВ), 6 - линии электропередач 35-220 кВ

(ЛЭП 35-220 кВ), 7 - линия электропередач 500 кВ (ЛЭП 500 кВ), 8 - преобразование энергии (генерация), 9 - автотранспорт (а/транспорт), 10 - железнодорожный транспорт (ж/д транспорт), 11 - газопровод низкого давления (газопровод н/д), 12 - газопровод среднего давления (газопровод с/д), 13 - газопровод высокого давления (газопровод в/д), 14 -нефтепровод, 15 - добыча и переработка топлива.

Результаты расчетов приведены на 1 кВт (кВтч) потребления мощности (энергии) у конечного потребителя (МКП): молочно-товарная ферма, личное подсобное хозяйство (с учетом потерь энергии).

Срок службы каждого проекта - 30 лет. Операционные затраты, стоимость оборудования и налоги приняты в фиксированных ценах (2016 г.). Эффективность экспорта энергоресурсов не учитывали. Режим работы возобновляемых источников энергии - без подключения к энергосистеме.

Таблица 1. Параметры расчетной модели электроснабжения района

Элемент системы Класс напряжения, кВ

110-35 10 0,38

Мощность (количество фи-

деров х передаваемая мощ-

ность), кВА 7000 6 x 900 3 x 40

Длина фидера, км 38 17 0,5

Число ТП на ВЛ (фидере), шт. 2 13 -

Установленная мощность ТП,

кВа 7200 3250 -

Стоимость ВЛ, тыс. руб./км 35000 1200 700

Стоимость ТП, тыс. руб./шт. 32600 500

результаты и обсуждение. Результаты исследований свидетельствуют о том, что при использовании природного газа суммарные удельные инвестиции в системы электроснабжения достигают 150-180 тыс. руб./кВт

Использование газа для распределенной генерации, при всех его эксплуатационных достоинствах, требует значительных первоначальных инвестиций.

Удельные инвестиции в системы электроснабжения по стадиям энергетического

Рис. 2. Оценка себестоимости производства электроэнергии.

Себестоимость производства электроэнергии рассматривали на этапе генерации (себестоимость з/з ген.) и на шинах ТП 10/0,4 кВ (с/стоимость э/э шины ТП).

Рис. 3. Технико-экономические показатели систем электроснабжения

По средней расчетной себестоимости производства электроэнергии для полного жизненного цикла ^СОЕ) лучшими показателями (5-6 руб./кВтч) характеризовались децентрализованные источники энергии (газовые автономные электростанции) и традиционные системы централизованного электроснабжения (рис. 2). В первую очередь это связано с высокой долей прямых и косвенных налогов (до 65 %) при формировании цены на дистилляты [2]. Учитывая такое обстоятельство, прямое сравнение эффективности различных систем электроснабжения по экономическим критериям обязательно должно быть дополнено анализом энергетических показателей. Энергетические и натуральные показатели расхода материалов систем генерации не зависят от коллизий рыночной экономики и фискальной поли-

тики, поэтому в некоторых случаях могут существенно скорректировать выбор наиболее рациональных систем электроснабжения.

По всем показателям материалоемкости бесспорное преимущество имеют возобновляемые источники энергии. Затраты металла, труда и материалов на рассредоточенную генерацию и централизованное электроснабжение сопоставимы между собой (рис. 3).

Минимальные затраты энергии за жизненный цикл характерны для систем генерации, использующих возобновляемые источники энергии (рис. 4). Все остальные системы электроснабжения по величине этого показателя примерно сопоставимы между собой.

Наиболее эффективные системы транспорта по показателю ЕНОЕ1 для рассредоточенных сельскохозяйственных потребителей: газоснабжение (61 о.е.), углеснабжение (20 о.е.) и снабжение дистиллятами (12 о.е.). Показатель ЕНОЕ1 для полной схемы (добыча - генерация - потребление) при

использовании дистиллятов равен 8,3 о.е., газа - 6,7 о.е., угля - 2,5 о.е.

Анализ результатов расчета коэффициента энергетической безопасности (табл. 2) показал, что для автономных источников электроэнергии (СФЭС, АЭС дизель) он составляет 0,813-0,870 и оценивается как предельно высокий для существующих в энергетике рисков. Для системы распределенной генерации электроэнергии (АЭС газ) и централизованной системы электроснабжения КЭБ был равен 0,521-0,538.

Результаты оптимизационных расчетов (при ограничении на располагаемые объемы сетевого газа в размере 20-25 % от оптимального) рациональной структуры источников электроснабжения администра-

тивного района показали, что рациональные объемы

Рис.

4. Энергетические показатели систем электроснабжения.

_ Достижения науки и техники АПК. 2017. Т 31. № 3

Таблица 2. коэффициент энергетической безопасности для перспективных систем генерации

Параметр КЭС газ АЭС газ СФЭС АЭС дизель

100-Limit, % от потреб-

ного 50 70 50 40-0

time of switch, ч/год 2 1 0,1 0,1

Cost, руб./кВт-ч 2-3 4-5 5-8 10-14

КЭБ 0,521 0,538 0,813 0,870

потребления электроэнергии от существующей системы централизованного электроснабжения составляют 70 % от общего числа потребителей (табл. 3), от си-

сурсов (приведение системы налогообложения к единой базе).

Перспективная система электроснабжения сельскохозяйственного района должна включать базовую систему централизованного электроснабжения (около 70 % общего числа потребителей) и рассредоточенную генерацию (около 30 %). Производственные потребители при рассредоточенной генерации будут использовать традиционные энергоресурсы (газ, уголь и его производные, дистилляты), в том числе до 20-35 % бытовых потребителей целесообразно перевести на возобновляемые источники (солнечные фотоэлектрические станции).

Таблица 3. результаты расчета оптимальной структуры источников автономного электроснабжения купинского района*

Параметр Значение показателя

Число поселений, ед. 10 10 9 13 7 3 2 4 1 11

Средняя электрическая мощность поселения, кВт 50 150 250 350 450 650 750 850 950 1200

Годовое потребление, тыс. МВтч 1 3 4,5 9,1 6,3 3,9 3,0 6,8 1,9 2,6

Рассредоточенная генерация, тыс. МВтч 0 0 0,65 2 0,5 0 0,3 6,8 0,3 5.5

Централизованное электроснабжение, тыс. МВтч 0 1 3,5 7,1 5,6 3,9 2.6 0 1,6 20,5

Возобновляемые источники, тыс. МВтч 1 2 0,35 0,0 0,2 0 0,1 0 0 0

*в строках 1-2 представлено распределение количества поселений по мощности потребления, в строках4-6 - результаты оптимального распределения источников электроснабжения населенных пунктов по критерию «минимальные суммарные затраты за период проекта».

стем рассредоточенной генерации - 30 % от общего числа потребителей, в том числе 5 % (20-35 % домо-хозяйств) приходится на возобновляемые источники энергии (СФЭС).

выводы. При обосновании перспективных систем электроснабжения на долгосрочный период целесообразно использовать показатель полной стоимости жизненного цикла с привлечением нестоимостных методов оценки эффективности проектов. Анализ эффективности использования различных энергоресурсов необходимо проводить с учетом принципов ценообразования на рынке энергоре-

По показателю LCOE наиболее эффективной для большинства потребителей будет система централизованного электроснабжения, а при использовании одного и того же принципа ценообразования на все виды топлива - дистилляты.

Система автономной генерации с использованием дистиллятов имеет лучшие показатели по энергетической эффективности (EROEI) и суммарным инвестициям по всей энергетической цепи. Система рассредоточенной генерации с использованием сетевого газа по большинству показателей сопоставима с централизованной системой электроснабжения.

Литература.

1. Short W., Packey D.J., Holt T. A Manual for the Economic Evaluation of Energy Efficiency and Renewable Energy Technologies. Colorado: National Renewable Energy Laboratory, A national laboratory of the U.S. Department of Energy Managed by Midwest Research Institute, 1995. 120 р.

2. Благодатских В.Г., Богатырев Л.Л., Воропай Н.И. Влияние энергетического фактора на экономическую безопасность регионов Российской Федерации. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 1998. 288 с.

3. Прикладные нечеткие системы / К. Асаи, Д. Ватада, С. Иваи и др. / пер. с япон. М.: Мир, 1993. 368 с.

4. Делягин В.Н. Оптимизация параметров систем энергообеспечения сельскохозяйственных потребителей (тепловые процессы): монография. Новосибирск: РАСХН, Сиб. отд-ние, СибИМЭ, 2005. 300 с.

evaluation of the efficiency of promising power-supply systems for an

agricultural district

V.N. Delyagin

Siberian Research Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture of the SFRCAB of the RAS, pos. Krasnoobsk, Novosibirskii r-n, Novosibirskaya obl., 630501, Russian Federation

Abstract. In the Russian Federation, the length of agricultural power lines is about 2.8 million km (more than 80 % of the total length of power lines in the country). The technological progress of the systems of generation of the distributed systems and renewed energy sources raises the question of the expediency of retaining the traditional centralized system of power supply. The purpose of this study was to comparatively evaluate the effectiveness of promising power supply systems, in order to form the concept of development of the electricity systems in rural areas. The main research method was the method of normalized cost of electricity (LCOE). Additionally, we used the methods of energy analysis, algorithms, and software that make it possible to estimate energy safety of different systems of the power supply of the rural of regions with the use of the theory of illegible sets. The most cost-effective generation systems are decentralized sources of energy (gas mini-station (up to 4 kW)) and traditional systems of centralized power (LCOE from 5 to 6 RUB/kWh). The independent sources of power (the power is up to 1000 kW, coal, diesel fuel) have the LCOE rate from 8 to 10 RUB/kWh. For renewable energy sources (wind, solar) without connection to the electric networks the rate of LCOE ranges from 18 to 20 RUB/kWh. The system of the centralized power supply has a coefficient of energy security (CES) equal to 0.521, the power supply to household consumers on the basis of the autonomous solar power plant with a partial duplication by diesel power station (DPS) with a capacity of up to 4 kW the coefficient is 0.813. According to the results of energy analysis the most effective sources of generation, according to the LCOE index, are the autonomous electrical stations, working on the qualitative fuel (distillates, gas) and having the summary expenditures of energy in the life cycle lower by 10-20 % than the centralized energy sources. A prospective structure of the generating sources should be based on a combination of different sources of electricity: centralized (70 %) and dispersed generation (30 %). Autonomous sources of the power supply based on solar photovoltaic power plants can become the major sources of electricity for 20-35 % of household consumers. Keywords: power supply system, agricultural consumers, normalized cost of electricity, energy efficiency, material costs, reconstruction, power lines, transformer substations, agricultural production, household consumers. Author Details: V.N. Delyagin, D. Sc. (Tech.), chief research fellow (e-mail: valdel@ngs.ru).

For citation: Delyagin V.N. Evaluation of the Efficiency of Promising Power-Supply Systems for an Agricultural District. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2017. Vol. 31. No. 3. Pp. (in Russ.).