Удаленные территории и их энергообеспечение

 

Проблема надежного и качественного электроснабжения территорий с малой плотностью населения, рассредоточенных по огромной территории России, остается острой в социальном, техническом и экономическом аспектах. При этом, данный вопрос относится не только к северным регионам Сибири и Дальнего Востока, но и ко многим районам Северо-Запада и Центральной полосы России, а также предгорным и горным районам Северного Кавказа.

Обеспечение таких потребителей электроэнергией на сегодняшний день осуществляется либо за счет централизованного электроснабжения, либо созданием децентрализованных зон.

Вместе с тем, эксплуатация существующих ЛЭП, при малых передаваемых мощностях и работающих в режиме близком к холостому ходу, нецелесообразна из-за низкого коэффициента загрузки по мощности и больших затрат на их содержание и обслуживание. Износ многих из них давно превысил 100%, а в ряде регионов, ранее имевшиеся сети перестали существовать физически, и данные негативные тенденции нарастают. В условиях развивающегося экономического кризиса строительство новых линий электропередач становится экономически абсолютно не выгодным.

Таким образом, в настоящий момент электрообеспечение малонаселенных и удаленных поселений осуществляется в основном стационарными и передвижными дизельными электростанциями (ДЭС), которых по России насчитывается более 5 тыс. штук. При этом их состояние оставляет желать лучшего.

Так, в Иркутской области почти 100 поселков с численностью населения от 7 до 3600 чел. снабжается электроэнергией от ДЭС, суммарная установленная мощность которых превышает 32 МВт. При этом большинство дизель-генераторов были установлены в 1960-1980 гг. и к настоящему времени отработали моторесурс и морально устарели. В поселках электроснабжение осуществляется 6-8 часов в сутки. Бюджетные затраты на приобретение дизельного топлива (при шестичасовой работе в сутки) всех дизельных электростанций области оцениваются в 240 млн. руб. в год (без учета затрат на транспортировку топлива). При этом топливная составляющая себестоимости выработки электроэнергии ДЭС в 13,5 раз превышает тариф на электроэнергию для сельского населения области и покрывается за счет регионального бюджета.

В условиях «северного завоза» себестоимость 1 кВт/ч генерируемой электроэнергии еще выше и составляет от 20 до 100 и более рублей.

Академик Российской академии сельскохозяйственных наук Дмитрий Стребков еще в 1990 г. приводил данные, согласно которых, себестоимость электроэнергии при объеме производства дизельгенератором 50 000 кВт. час/ год и транспортировке топлива на 500 км составляет – 4 $ (журнал «Автономная Энергетика» № 0 от июня 1993 г., стр. 27)

Получается, что большинство источников автономного электроснабжения являются убыточными, и применяются исключительно благодаря серьезным государственным дотациям, из-за их высокой социальной значимости. Несмотря на огромные финансовые вложения, отток жителей в города усиливается, целые деревни приходят к опустению.

Одна из главных причин этого – отсутствие бесперебойного гарантированного круглосуточного электроснабжения, и как следствие, невозможность создания комфортных условий для проживания, эффективного развития малого и среднего бизнеса.

 

Начиная с 1998 г. многие государственные и коммерческие структуры уделяют пристальное внимание созданию различных вариантов электроэнергетических комплексов, предназначенных для энергоснабжения удаленных потребителей, и ориентированных на возобновляемые источники энергии. При этом основной упор делался на разработку в области автономной ветроэнергетики. Особый интерес к разработкам и производству ВЭУ проявили оборонные предприятия.

Так, Государственный Ракетный центр «КБ им. академика В. П. Макеева» с 1998 г. приступил к выполнению НИОКР по созданию ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения, и в 2001 году были созданы опытные образцы установки ВЭУ-30 для обеспечения автономной электроэнергией мощностью до 30 кВт.

ФГУП «ГМКБ «Радуга» в рамках конверсионной программы разработало автономные ветроэнергетические установки «Радуга-001» и «Радуга-008», мощностью 1 и 8 кВт.

ФГУП «Московский институт теплотехники» (МИТ), разработал размещенный в 12-метровом контейнере мобильный ветроэнергетический комплекс «Жаворонок», пиковой мощностью 30 кВт. Вес агрегата, в зависимости от комплектации составлял от 15 до 17 тонн. Кроме ветроустановки в комплект входит автоматизированный дизельгенератор мощностью 30 кВт.

По информации разработчиков, номинальной мощности комплекс достигает при скорости ветра 9,2 м/сек. и более. Если скорость ветра падает до отметки 5 м/сек., то автоматически в работу включается дизельная установка. При промежуточных скоростях ветра недостающую мощность ветроагрегата добавляет дизель.

Ориентировочная цена полной комплектации около 100 тыс. долларов. Как уверяют разработчики, аналогичные немецкие установки стоят почти в два раза дороже.

Вместе с тем, развития комбинированные ветро-дизельные комплексы ни в России, ни за рубежом не получили. Основная причина кроется в том, что системообразующим устройством в данном тандеме является дизельгенератор, который вынужден постоянно находится в «горячем режиме». При этом хорошо известно, что в режиме «холостого хода» (при нулевой потребляемой мощности) расход топлива уменьшается всего на 15…20 % от режима «пиковой нагрузки», а степень изнашиваемости агрегата не изменяется.

Попытки интегрировать по аналогичной схеме в автономные энергокомплексы другие виды возобновляемой энергии (солнце, вода), кроме как к удорожанию изделий не привели.

Так, в начале апреля 2011 г. Государственной комиссией принят в эксплуатацию и рекомендован к серийному производству автономный энергокомплекс «Гарант», разработанный по заданию Пограничной службы ФСБ России и явившийся результатом опытно–конструкторской работы технического холдинга ООО «Электросистемы» (г. С.-Петербург). Энергокомплекс на базе альтернативных источников энергии выполнен для питания нагрузки мощностью от 5 до 20 кВт.

В комплект модуля«Гарант 5–3L1120» (5 кВт) входят:

· три ветроэнергетические установки лопастного типа мощностью 5 кВт каждая;

· одну солнечную батарею мощностью 1,36 кВт;

· одну мини–ГЭС мощностью 5–10 кВт;

· две дизель-генераторные установки мощностью 14 кВт каждая;

· один аппаратный модуль управления комплексом.

Стоимость разработанных модулей модификаций «Гарант 5–2L1010» (ВГУ, 1 СЭУ, 1 ДГУ, 1 МА) составляет— 7 489 200 руб., «Гарант 5–3L1010» (3 ВЭУ, 1 СЭУ, 1 ДГУ, 1 МА) — 8 636 000 руб. Таким образом, в первом варианте 1 кВт мощности энергокомплекса стоит– 49928 $, во втором – 57574 $. (соотношение рубль – доллар – 1:30)

Окупаемость установки в первом случае при цене за 1 Квт/час 5 рублей – 34.19 лет, во втором – 39.43 лет и это без учета топливной составляющей, необходимой для работы дизель-генераторных установок. При этом в расчете берется идеальный вариант, когда вся вырабатываемая электроэнергия потребляется и оплачивается, и ни одно из входящих в комплекс генерирующих устройств не меняется и не ремонтируется.

При этом мощность ДЭС, изолированного потребителя, определяется его «пиковой» потребляемой мощностью, исходя из графика нагрузки объекта, который, как правило, характеризуются крайней неравномерностью, что приводит к существенному недоиспользованию установленной мощности оборудования. В результате, коэффициент полезного действия таких станций резко снижается, а удельный расход топлива на выработку 1 кВт/ч электроэнергии увеличивается относительно их паспортных данных. Энергетическая и экономическая эффективность ДЭС в таких режимах работы значительно снижается.

Таким образом, гибридные энергосистемы, построенные по традиционной схеме, не смогут эффективно обеспечить гарантированное и бесперебойное электроснабжение потребителей на удаленных территориях и снизить себестоимость выработки электроэнергии.

Вместе с тем, потребности регионов в энергоснабжении за счет автономных источников электроэнергии не только не уменьшаются, но и продолжают расти.

Ст. научный сотрудник «Института неразрушающего контроля» Томского политехнического университета Суржикова О. А. в статье «Проблемы и основные направления развития электроснабжения удаленных и малонаселенных потребителей России» приводит данные по количеству населенных пунктов в России, не имеющих централизованного электроснабжения, и населения в них.

Кол-во жителей в пункте, чел.	Кол-во населенных пунктов, шт.	Кол-во населения в поселении, чел
До 50
От 51 до 500
От 501 до 3000
От 3001 до 10000

Однако реальные потребности, особенно с учетом планов по освоению Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, во много раз превосходят эти данные.

Решение этой непростой задачи возможно лишь с созданием энергокомплексов малой мощности построенных с применением Технологии «Персональных Электроэнергетических Систем», разработка которой была начата в г. С.-Петербурге еще в 1992 г.

В основе ПЭС-технологии лежит представление любого объекта жизнедеятельности человека потребляющего электрическую энергию не как совокупности всех приемников электрической энергии конкретного владельца, а как множество отдельных электроприемников, с присущими только им индивидуальными характеристиками, при необходимости объединяемых в группы по функциональным или иным признакам.

Данный подход позволяет конкретно учитывать технические характеристики, а главное - цикличность работы каждого отдельного электроприемника или их групп, что приводит к более эффективному использования баланса подводимой мощности и потребляемой приемником электрической энергии, в результате чего изначально требуемые подводимые энергетические мощности значительно снижаются.

Исходя из сказанного выше, при построении электроснабжения мы оперируем не максимально подводимой мощностью (Р сум.), равной суммарной мощности его электропотребителей, как принято это сейчас, а максимальной суточной потребностью объекта в электрической энергии (кВт/час).

Зная суточную потребность, потребителю предлагается ее химический эквивалент, заложенный в аккумуляторной батарее необходимой мощности.

Учитывая, что электрохимические аккумуляторы представляют собой перезаряжаемые химические источники тока, работающие на основе электрохимических систем, в которых материалы, образовавшиеся в процессе разряда, могут быть при заряде превращены в первоначальные активные материалы, наша задача обеспечить своевременное их восстановление под действием внешнего источника тока.

В качестве источников электрического тока, для восстановления АКБ, комплексно и в любых комбинациях используются различные генерирующие устройства, в первую очередь ориентированные на низкопотенциальные, экологически чистые источники энергии – ветер, солнце, вода и др.

Изложенный выше подход к решению задачи электроснабжения положен в основу ПЭС-технологии. Разделение генерирующего оборудования и потребителей переменного тока буферной вставкой накопителя, работающего на постоянном токе, с соответствующими преобразователями и инверторами на входе и выходе, обеспечивает устойчивость работы создаваемой системы, и выполнение ей всех основных функций, присущих классическим энергосистемам.

Применяемое последовательное включение накопителя, непрерывно обеспечивает баланс поступающей, аккумулируемой и потребляемой энергии при подводимых мощностях, на порядок меньших, чем требуют пиковые нагрузки, превращая его, в так называемый потребитель-регулятор, который берет на себя все функции по сглаживанию пиковых скачков мощности потребителя.

Как видно из представленного ниже рисунка, накопитель ПЭС формируется из электрических аккумуляторов, объединяемых в батареи необходимой емкости. В зависимости от решаемых задач в накопителе могут быть использованы любые аккумуляторные батареи начиная от стартерных - свинцово-цинковых и заканчивая литий-ионным батареями.

Исходя из особенностей технологии, накопитель постоянно находится в балансируемом режиме, не допускающем полного разряда или перезаряда аккумуляторных батарей, что, по мнению специалистов, увеличивает срок их работы.

Рис. 1

Кроме того, такая развязка позволяет одновременно подключать любое количество генерирующего оборудования ориентированного как на возобновляемые источники энергии, так и работающего на местных видах топлива.

Блочно-модульный характерТехнологиидает возможность конструироватьПерсональные Электроэнергетические Системы, как в стационарном, так и мобильном вариантах, а при необходимости объединять их в локальные энергосистемы в интересах лиц, проживающих на конкретной территории.

При этом область использования ПЭС весьма значительна, что хорошо видно из приведенного ниже графика

С точки зрения экономической науки, основой персонального энергообеспечения будет являться платежеспособная территориально обособленная хозяйствующая единица, обозначаемая термином «персональный потребитель электроэнергии». Это может быть владелец коттеджа, фермер, коллективный собственник жилого дома, коммерческое предприятие и т.д. То есть, основным отличием персонального обеспечения электроэнергией, от привычного для нас централизованного, является хозяйственное владение каждым потребителем собственной ПЭС.

 

ПЭС-технология – это не только новые технологические решения, но и новый экономический, психологический, философский взгляд на развитие энергоснабжения человека.

Уже сейчас, на самых первых шагах своего развития, ПЭС-технология становится весьма эффективна.

Если в качестве примера рассмотреть вариант энергообеспечения объекта мощностью 600 кВт с электропотреблением 5 000 МВт*час в год и удаленного от линии электропередачи на расстоянии 40 км., то эффект применения ПЭС с учетом стоимости установленного кВт 7000$ по сравнению с подключением к энергосистеме составит за 1 год эксплуатации 180% и 330% за 10 лет, а с применением дизельэлектростанции составит за 1 год эксплуатации 120% и 790% за 10 лет.

 

№ п/п	Работы и необходимые затраты	Автономная энергосистема	Подключение к энергосистеме (в млн.$)
Персональная энергосистема (ПЭС) (в млн.$)	Дизель Электростанция (в млн.$)
	Проект	0,36	0, 36	1,2
	Капитальные затраты: Оборудование Электросеть объекта	3,1 0,6	1,0 0,6	4,8 0,6
	Эксплуатационные затраты: За год За 10 лет	0,014 0,14	3,150 31,5	0,72 7,2
	Общие затраты: За год За 10 лет	4, 074 4,2	5,11 33,46	7,32 13,8
При этом расчеты данной таблицы рассматривают чисто технические затраты и не учитывают многих финансовых прямых и косвенных составляющих, а именно расходов на согласование с подключением, реального наличия электрических мощностей, роста тарифов и цен на топливо, временного фактора, экологической составляющей и т.д.
Проведем расчет эффективности от продажи электроэнергии для каждого типа подключений при стоимости 1кВт*час – 0.08$
	Коэффициент использования электроэнергии потребителями		0,3	0,3
	Использованное количество электроэнергии (кВт*час)
	Доход от продажи электроэнергии (в млн.$): за 1 год за 10 лет	400 000 4 000 000	120 000 1 200 000	120 000 1 200 000

 

Данные расчеты наглядно показывают эффективность ПЭС-технологии перед традиционными технологиями, как по окупаемости вложений, так и по доходности эксплуатации.

 

 

Экологическая чистота, простота и надежность Персональных Энергетических Систем будет способствовать их широкому внедрению в районах Крайнего Севера и других удаленных территорий.

Созданные по их схеме мобильные и стационарные Комплексы могут решить большой круг вопросов социально-экономического и экологического характера, повысить энергобезопасность региона в целом.

В экологической доктрине РФ сказано, что устойчивое развитие Российской Федерации, высокое качество жизни и здоровья ее населения, а также национальная безопасность могут быть обеспечены только при условии сохранения природных систем и поддержания соответствующего качества окружающей среды.

Новая технология создает не только новую технику, но и новый баланс в экономике.