Широкомасштабное развитие возобновляемых источников энергии и его влияние на рынок электроэнергии и сетевую инфраструктуру
 Скачать 2.33 Mb.
|
|
3.6 Геоинформационные технологии 52 ГИС может эффективно управлять информацией о распределении электроэнергии для потребителей и информацией, описывающей атрибуты каждого клиента, такие как местоположение и использование электроэнергии. Электрические компании уже находят ГИС очень полезной в управлении распределением. Электроэнергетика осознала, что ГИС является ценным инструментом не только для картографирования объектов, но и для улучшения процесса принятия решений и лучшего управления инфраструктурой. Хотя потребности и использование ГИС в энергетическом секторе несколько отличаются от других отраслей, ГИС может быть столь же ценной информационной технологией в 52 https://www.esri.com/library/brochures/pdfs/gis-sols-for-power-generation.pdf 74 электроэнергетике. В автоматизированном картографировании (AM) это средство помогает сетевым службам быстро создавать цифровые карты своей области снабжения, используя средства оцифровки программного обеспечения. Эти карты в цифровом виде содержат подробную информацию о земле, обслуживаемой коммунальным предприятием, а также точное местоположение и техническую информацию об оборудовании распределительной сети коммунального предприятия, которое установлено на месте. В управлении объектами, файлы оцифрованных карт, которые со всеми необходимыми интеллектуальными возможностями, встроенными в них, теперь может использоваться для удовлетворения потребностей управления объектами. Так, ГИС в области электроэнергетики используется для изучения и анализа электрических систем распределения, анализа и проектирования, также разрабатываются приложения для решения проблемы проектирования системы электроснабжения для нового жилого комплекса, для автоматизация процессов с целью обеспечить своим клиентам высокое качество обслуживания, перестроить проект рабочих процедур в электросетях. ГИС и GPS также интегрированы для картирования и анализа электрических распределительных сетей 53 Необходимость уравновешенно развивать новые рынки, повышать надежность системы и снижать эксплуатационные расходы является самой большой проблемой для сегодняшних лиц, принимающих решения в сфере энергетических систем. Эта проблема успешно решается с помощью ГИС. ГИС предоставляет решения для всего цикла принятия решений: для приложений в сфере бизнеса, проектирования, управления окружающей средой и других дисциплин, необходимых для всестороннего и эффективного управления выработкой электроэнергии и передачей. Вызовы Чтобы расширить возможности ГИС, необходимо следовать новым требованиям со стороны компаний, работающих в сфере электроэнергетики и ориентированных на более точное моделирование базовых активов, которые отслеживаются в ГИС. Точность в этом контексте определяется как моделирование активов более близко к тому, как они существуют на местах, а не их обобщение или абстрагирование в ГИС. Для потребителей электроэнергии большая часть оперативного внимания сместилась на современные системы управления распределением, а также системы управления распределенными ресурсами. Хотя обе эти системы предоставляют расширенные возможности для принятия решений и анализа в электросети, на базовом уровне они зависят от точной и подробной геопространственной сети и информации об активах. Кроме того, в сфере электроэнергетики существует общее желание обеспечить истинное управление активами на более детальном уровне, отслеживая меньшие внутренние компоненты местоположений и устройств, которые в прошлом могли быть смоделированы как единое составное местоположение. Электрическим примером может служить группа трансформаторов. В прошлом мы могли смоделировать три отдельных воздушных трансформатора в одном месте с одной точкой на карте. Теперь мы видим, что некоторые потребители этих данных требуют моделирования трех отдельных трансформаторных активов и, в еще более детальных случаях, соответствующих предохранителей и грозовых разрядников, которые существуют как часть трансформатора. Эта единственная точка трансформации теперь должна быть расширена до трех или даже девяти объектов карты 54 53 https://www.ripublication.com/irph/ijert_spl/ijertv6n6spl_06.pdf 54 https://www.tdworld.com/smart-utility/article/20973162/the-future-of-gis-part-4-to-the-geospatial-future- and-beyond 75 Возможности ГИС используется для планирования и мониторинга ресурсов выработки электроэнергии. Сложный пространственный анализ полезен для определения оптимального потенциала генерации, разработки сценариев «что если», изучения воздействия на окружающую среду и управления активами объекта. ГИС используется для пространственного анализа перегрузки сети, рассмотрения возможностей роста использования возобновляемых источников энергии, определения осуществимости участка и создания сценариев рынка энергоресурсов. Энергетические компании могут разумно планировать, строить, контролировать и управлять своими сетями передачи, используя технологию ГИС База геоданных ГИС является ключевым компонентом для поддержки и управления точными данными об активах передачи, такими как подстанции, линии и связанные структуры. ГИС используется для оценки уровней надежности энергосистемы и составления планов для повышения надежности, соблюдения требований соответствия, определения местоположения и управления коридорами передачи, инвентаризации и планирования технического обслуживания в пути, а также анализа роста нагрузки или изменений формы нагрузки или нагрузки на мощности подстанции. 3.7 Угольные технологии Мировое потребление угля в 2018 году росло второй год подряд, хотя оно оставалось примерно на 160 миллионов тонн в угольном эквиваленте (Mtce) ниже уровня пика в 2014 году. Снова наблюдался сдвиг в потреблении в Азию, поскольку использование угля возросло в Китае, Индии, Индонезии и некоторых других странах Южной и Юго-Восточной Азии. Спрос на электроэнергию в Азии продолжает расти, и уголь остается крупнейшим источником электроэнергии в Азии и одним из самых дешевых. В то же время во многих странах с развитой экономикой уголь неуклонно вытесняется из энергетического баланса за счет сочетания экологической политики и конкурентного давления со стороны все более конкурентоспособных по стоимости возобновляемых источников энергии, а на некоторых рынках также природного газа. Соединенное Королевство, чья промышленная революция была построена на угле, теперь длительное время без использования угля. Германия, оплот спроса на уголь в Европе, планирует отказаться от угля к 2038 году, и последние данные показывают, что производство электроэнергии на угле резко падает в 2019 году 55 Чтобы быть актуальным игроком в будущей структуре энергопотребления, эффективность угольной энергетики и затраты должны улучшаться, и исследования и разработки в области технологии обещают сделать именно это. Хотя большинство экспертов сходятся во мнении, что уголь останется основным источником топлива для обеспечения базовой нагрузки в ближайшем будущем в нескольких регионах, борьба угольной энергетики за сохранение экономической значимости в условиях серьезных сбоев рынка и экологических проблем широко обсуждается. В последнее время многие заинтересованные стороны также усиливают призывы к увеличению инвестиций в технологии угольной генерации посредством исследований и разработок (НИОКР), демонстрации и развертывания. Около 250 ГВт мощности ТЭС на супер-сверхкритике в настоящее время подключено к сети - 90% (224 ГВт) приходится на Азию (где строится еще 88,2 ГВт, в основном в Китае и Японии), а большая часть остальных 10% приходится на Европу (19,2 ГВт), и повышение эффективности продолжается. Например, ТЭС на ультра 55 World Energy Outlook 2019 www.iea.org/weo 76 сверхкритические параметры пара Waigaoqiao № 3 56 в Шанхае, Китай, увеличила свою первоначальную эффективность с 43% до более чем 47%, что является огромным достижением. Между тем, в настоящее время проводятся испытания никелевых суперсплавов, которые могут помочь в достижении заданного значения пара 700 о C в усовершенствованных системах с ультрасверхкритическими параметрами (AUSC) - и повысить эффективность до 50% - в США, 3.8 Водородная энергетика Водород может быть использован в ≪большой≫ электроэнергетике (при этом он будет замещать природный газ и нефтепродукты), на транспорте (замещение нефтепродуктов); в секторе зданий (для отопления и электроснабжения, в том числе автономного, с замещением природного газа или нефтепродуктов); в промышленности — в качестве сырья и заменителя традиционных углеводородов. Водород также отличает относительное удобство долгосрочного масштабного хранения и транспортировки на любые расстояния, в том числе с использованием уже имеющейся инфраструктуры, связанной с природным газом (в том числе сжиженным). Транспортировка водорода, таким образом, становится альтернативой развитию магистральных электрических сетей — и это открывает новые возможности для довольно большого числа регионов мира, богатых возобновляемой энергией, но удаленных от центров потребления энергии. В одном из сценариев интеграции водородных технологий в энергокомплекс США, рассматриваемых лабораториями Министерства энергетики этой страны (DOE), к середине века водород возьмет на себя роль второго после электроэнергии всеобщего энергоносителя. Более 90 % энергии для производства водорода обеспечит электроэнергия, при этом потребление первичных энергоносителей — угля, газа и нефти — упадет, соответственно, на 73 %, 34 % и 18 %, а доля ВИЭ возрастет в четыре- пять раз. Стратегическое значение развитию водородных технологий придают в правительствах целого ряда стран, а также в корпоративном секторе. Речь идет о нескольких сотнях крупных и небольших компаний по всему миру, участвующих в тысячах проектных инициатив. В Европейском Союзе наибольшей активностью отличаются Германия и Великобритания. В 2017 г. была запущена общеевропейская инициатива Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) 57 , которая по состоянию на май 2018 г. объединила уже 89 регионов и городов из 22 европейских стран. Участники этой европейской инициативы декларируют стремление использовать водородные технологии в своих энергетических стратегиях в рамках ≪энергетического перехода≫, в том числе, реализовать проекты общей стоимостью около 1,8 млрд евро в течение ближайших пяти лет. Японская программа (дорожная карта) Strategic Roadmap for Hydrogen and Fuel Cells 58 была запущена летом 2014 года. Цель программы — строительство ≪общества, основанного на водороде≫. Дорожная карта содержит конкретные ключевые показатели — в производстве, хранении, транспорте и использовании водорода — с вехами в 2020, 2025, 2030 и 2050 гг. Так, цель по объемам использования водорода в Японии — с нынешних 200 тонн в год до 10 млн тонн в 2050 г. (рост в 50 тысяч раз!). Объем государственного финансирования программы в 2017 году составил около 310 млн евро. Лидерство Японии признано на международном уровне. 56 https://www.power-technology.com/projects/waigaoqiao-power-station-shanghai/ 57 https://hydrogeneurope.eu/fuel-cell-and-hydrogen-joint-undertaking-fch-ju 58 https://www.meti.go.jp/english/press/2019/0312_002.html 77 Водородная программа США под разными названиями функционирует с 1970-х годов. Ежегодное финансирование US DOE Hydrogen and Fuel Cells Program 59 достигает 120 млн долларов (в период 2004–2011 годов оно было примерно вдвое больше). В течение 2018–19 годов о своих водородных стратегиях заявили Калифорния, Австралия и Южная Корея. На корпоративном уровне наиболее известное объединение в области водородных технологий — Водородный совет, Hydrogen Council. Организация, основанная в 2017 году в Давосе, к концу 2018 года довела число своих членов до 53 корпораций из 11 стран с общей численностью сотрудников 3,8 млн и годовым доходом 1,8 трлн евро. Долгосрочное видение организации — создание к 2050 г. рынка водорода и водородных технологий объемом 2,5 трлн долл., создание 30 млн рабочих мест и увеличение роли водорода как энергоносителя в конечном мировом потреблении энергии с 0 % до 18 %. В наши дни водород в основном производится за счет паровой конверсии метана (SMR, steam methane reforming) — из природного газа или после газификации угля. Этот отработанный в промышленных масштабах, дешевый процесс еще долго не будет иметь конкурентов по себестоимости получаемого водорода (1–2 долл./кг в зависимости от цены газа и угля). Но в эпоху ≪энергетического перехода≫ не менее важной характеристикой процессов становится их углеродный след. Паровая конверсия метана приводит к эмиссии углекислого газа — 10 кг СО2 /кг H2. Поэтому такой водород называют ≪серым≫ — в зависимости от сырья (газ или уголь) он либо сопоставим с обычным природным газом, либо в 2,5 раза хуже него по этому показателю. Одна из альтернатив — производство ≪серого≫ водорода только в комбинации с технологиями по улавливанию и хранению углекислого газа (CCS — carbon capture and storage). Полученный таким способом водород называют ≪голубым≫. В отличие от SMR, технологии CCS еще далеки от полномасштабной коммерциализации. По данным Global CCS Institute, в 2018 году в мире насчитывалось лишь 18 крупных проектов с технологией улавливания СО 2 , еще пять было в стадии строительства и 20 — в различных стадиях разработки. В мире известны три проекта, в которых интегрированы паровая конверсия метана, а также частичное улавливание, транспорт и хранение СО2 — это Port Arthur 60 в США, Quest 61 в Канаде и Tomakomai 62 в Японии. По оценке IEAGHG, добавление CCS увеличивает капитальные затраты технологии SMR на величину до 87 %, а операционные издержки — на величину до 33 %. Приведенная стоимость получаемого при этом водорода растет почти в полтора раза — до 1,8 евро за кг, а цена утилизации СО2 — до 70 евро за тонну СО2. В апреле 2019 года получил положительное заключение экологической экспертизы демонстрационный проект производства ≪голубого≫ водорода из бурого угля бассейна Латроб -Валли в Австралии с последующим экспортом водорода в Японию — Hydrogen Energy Supply Chain 63 , развиваемый под управлением японской Kawasaki. Для Австралии это шаг к возможности использования огромных запасов бурого угля, причем в низкоуглеродной экономике. Этот пример показывает, что ≪голубой≫ водород имеет хорошие перспективы в странах — экспортерах ископаемого топлива, где цена его невелика — хотя коммерциализация технологии CCS потребует еще значительных усилий. Вторая альтернатива ≪серому≫ водороду — ≪зеленый≫ водород, получаемый электролизом с помощью энергии с минимальным углеродным следом — в первую 59 https://www.hydrogen.energy.gov 60 https://www.globalsyngas.org/resources/world-gasification-database/ap-port-arthur-hydrogen-plant-i 61 https://www.nrcan.gc.ca/science-and-data/funding-partnerships/funding-opportunities/current- investments/shell-canada-energy-quest-project/18168 62 https://www.cslforum.org/cslf/Projects/Tomakomai 63 https://www.industry.gov.au/funding-and-incentives/hydrogen-energy-supply-chain-pilot-project 78 очередь, от ВИЭ. Не всякий водород, получаемый электролизом, можно называть ≪зеленым≫ — всё зависит от углеродного следа используемой для этого электроэнергии. Только ≪зеленый≫ водород, полученный с помощью ВИЭ, может быть использован в других секторах помимо электроэнергетики — поэтому он является краеугольным камнем для водородной экономики в целом, вокруг него концентрируются исследования в большинстве водородных программ. В то же время энергокомпании с существенным портфелем атомной генерации тоже претендуют на свое место на глобальном рынке водорода. В апреле 2019 года французская EDF, владеющая 58 атомными энергоблоками, заявила о запуске дочернего бизнеса Hynamics 64 , который сосредоточится на поставках и обслуживании электролизеров, а также заправке водородного транспорта. По данным МЭА, в течение последних семи лет в среднем в мире вводили в эксплуатацию около 10 МВт электролизеров ежегодно. В 2018 году введено уже 20 МВт, а до конца 2020 года ожидается ввод еще 100 МВт. Инвестиции в электролизеры растут — совокупная мощность установок может почти утроиться в ближайшие 2–3 года, достигнув отметки в 150 МВт. Для полноценной коммерциализации нужно перейти через границу в 90 МВт/год. Паровая конверсия метана и электролиз — это базовые технологии, вокруг которых, по мнению большинства исследователей, будет развиваться сектор производства водорода. Среди других способов можно выделить риформинг плазмы; риформинг на основе ионных мембран; конверсию метана с усилением сорбентом; микроканальные реакторы; разложение (пиролиз) метана с выделением углерода в твердом виде; высокотемпературные газоохлаждаемые ядерные реакторы и т. д. 64 https://www.edf.fr/en/the-edf-group/dedicated-sections/journalists/all-press-releases/edf-launches-hynamics- a-subsidiary-to-produce-and-market-low-carbon-hydrogen 79 П.4 Выдержки из докладов 47-й сессии СИГРЭ 4.1 Доклад А1-101 (США): Совместное функционирование газовых турбин с аккумуляторными хранилищами энергии: Функциональные и экономические показатели В этом докладе рассматривается одна из наиболее важных проблем, которая стоит перед электрогенерирующими компаниями, которые вынуждены работать в условиях очень высокой и растущей доли возобновляемой энергии, поступающей на рынок. Наличие относительно дешевых возобновляемых источников энергии привело к закрытию крупных генерирующих мощностей, работающих на ископаемом топливе. Тем не менее, все еще существует требование к обеспечению работы традиционных источников энергии, например, газотурбинных генераторов, с целью генерации энергии в случае недостаточной выработки мощности возобновляемыми источниками энергии и/или для стабилизации электроэнергетической системы. В этом докладе продемонстри- рована сложность упомянутой проблемы на примере рынка электроэнергии Калифорнии. Одним из возможных решений, предложенных в этом документе, является использование газотурбинной установки, совмещенной с накопителем энергии на базе аккумуляторной батареи. В докладе приведено подробное описание первой установленной системы подобного рода и обсуждение экономических и функциональных показателей системы. |