Балансування енергосистеми: в пошуках оптимальних рішень

Використання повною мірою вже існуючих відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) та будівництво нових неможливі без засобів балансування енергосистеми.

До таких відносяться системи накопичення енергії, високоманеврена генерація, міжкордонні перетоки та регулювання попиту. Перетоки з сусідами мають фізичні, договірні та ринкові обмеження. Можливості управління попитом до цього часу ще майже не задіяні навіть у найрозвиненіших країнах. Отже, з огляду на нагальність проблеми,  в енергосистемі мають терміново з’явитися доступні на сьогодні технології.

Розглядаючи технології, що потрібні зараз, маємо задуматись над складом генеруючих потужностей за 10, 20 чи 30 років. Якою буде майбутня конфігурація енергосистеми України, чи залишиться там роль для високоманевреної генерації?  

НЕК Укренерго в «Проєкті звіту з оцінки відповідності (достатності) генеруючих потужностей 2020» відзначає, що «введення в експлуатацію високоманеврових потужностей зі швидким стартом (включення з нуля та вихід на номінальну потужність за 10-15 хвилин) та швидкодіючих резервів на базі систем акумулювання електричної енергії надасть можливість забезпечити ОЕС України необхідними резервами регулювання для виконання вимог відповідності у перспективі до 2031 року».

Джерело: Українська Енергетика

Балансування з допомогою самих лише батарей не вдасться 

Оператор системи передачі розділяє високоманеврену генерацію та системи накопичення енергії (СНЕ) за технічними характеристиками та застосуванням. СНЕ на базі електрохімічних акумуляторних батарей мають неперевершену швидкість відгуку, що вимірюється мілісекундами. Проте вони, на відміну від генеруючих потужностей, можуть віддавати лише стільки енергії, скільки накопичили. Очевидно, що ці технології виконують різні ролі в енергосистемі і не замінюють одна одну.

Проте нерідко політики (які можуть фахово не знатися на енергетиці) та деякі експерти зосереджуються лише на так званих «батарейках», вважаючи, що СНЕ самостійно вирішать проблему балансування. Це неправильне уявлення.

Навіть у 100%-безвуглецевій енергосистемі контрольована генерація буде необхідною. Інша річ, що на той момент вона працюватиме на відновлюваних видах палива. Без такого джерела енергії енергосистема, побудована лише на ВДЕ та системах накопичення, буде надто дорогою. 

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

Два варіанти складу потужностей 100% відновлюваної енергосистеми для європейської країни з рівнем споживання електроенергії, як в Україні. Джерело: Моделювання Plexos, Wärtsilä

«Проект звіту» НЕК Укренерго, порівнюючи СНЕ та генерацію, відзначає: «за рівних умов, перевагу доцільно надавати «швидкій» генерації через значно більші терміни експлуатації та відсутність обмежень по ємності систем акумулювання». Отже, розглянемо «швидку генерацію» детальніше. Зазвичай такі електростанції називають газовими пікерами. Але чи правильна ця назва, і які сучасні вимоги до високоманеврених генеруючих потужностей?

Як це працює

Коли частка ВДЕ в енергосистемі зростає, нерівномірність і недостатня прогнозованість такої генерації викликає зміну профілю результуючого навантаження. Іншими словами, там, де раніше атомні чи вугільні станції виробляли енергію рівним графіком, тепер вони мають коливатися у протифазі з ВДЕ, балансуючи їх коливання. Але ж АЕС не можуть цього робити взагалі, а вугільні ТЕС – лише у певних межах і з недостатньої швидкістю. І мова вже не про денні піки споживання, які зазвичай добре прогнозовані, а про постійне підтримання резерву для компенсації непередбачуваних коливань. Як показує практика, раптові коливання виробництва ВДЕ можуть бути стрімкими та глибокими (див. графік, наданий ОСП Бразилії).     

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

Балансуюча станція має бути здатною знаходитись у непрацюючому стані (холодному резерві) та за потреби швидко активуватися на певний час, після чого так само швидко зупинитися.  

Тому основні технічні критерії для оцінки придатності технології балансування наступні: швидкість запуску та виходу на повну потужність станції, швидкість зміни навантаження, діапазон регулювання потужності, можливість здійснювати багато циклів пуску-зупинки на добу. 

Графік нижче демонструє типовий режим роботи балансуючої станції на прикладі Baker Inlet Station в Австралії, побудованої на базі 12 газопоршневих агрегатів Wärtsilä потужністю 17,5 МВт кожний. Станція працює щодня з частими пусками агрегатів і частковими навантаженнями в діапазоні 10%-100%. Очевидно, що за таких умов експлуатації необхідно зважати не лише на технічну здатність станції реагувати на коливання попиту і вчасно закривати ці потреби. Вкрай важливими стають показники вартості, такі як паливна ефективність (особливо на неповних навантаженнях) та відсутність негативного впливу циклічності на вартість технічного обслуговування (тобто, щоб кількість пусків та зупинок не впливала на графік обслуговування).

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

У кінцевому підсумку саме вартість виробленої електроенергії та наданих послуг визначає економічну доцільність для енергосистеми будівництва тих чи інших технологій балансування. Так само      вартість капітальних та експлуатаційних витрат впливає на привабливість технології для інвесторів.

Peaker vs. Balancer     

У маневрених технологіях використовують поняття peaker (пікер) і balancer (балансер). Різницю між ними ще багато хто з фахівців чітко не усвідомлює, і тому існує деяка плутанина. Традиційно в енергосистемах без ВДЕ існували станції-пікери, які вмикалися, коли виникала необхідність покриття пікових навантажень через сезонні чинники або ж у разі неочікуваних подій, таких як системні аварії чи погодні катаклізми. З розвитком зеленої енергетики термін стали вживати і в контексті компенсації коливань генерації з ВДЕ.

Але ми вже з’ясували вище, що в міру зростання частки ВДЕ завдання балансування виникає в будь-який час доби і багаторазово. І якщо пікери традиційно будувалися для роботи протягом нетривалого часу (до 10% від річного ресурсу), то балансери мають працювати в режимі постійної готовності до балансування джерел зеленої генерації. І в цьому принципова різниця з урахуванням того, що потреби традиційних енергосистем і тих, де зростає частка ВДЕ, кардинально відрізняються.

Відповідно до призначення завжди відбиралися і технології генерації: функцію пікера і раніше, і зараз виконують газотурбінні установки (ГТУ) простого циклу. Через обмежену кількість пусків на рік і нетривалу роботу такі показники як вартість пуску і паливна ефективність не мали великого значення. Завдяки розвитку технології і пристосуванню авіаційних турбін для енергетики, ГТУ стали придатними в тому числі для і балансування. Але існують технологічні обмеження для такого застосування. Наприклад, після кожного пуску ГТУ потрібно 30-60 хвилин для повторного старту, кількість пусків не може бути більшою кількох на день, і кожен цикл враховується в обчисленні спрацьованого ресурсу.

Функцію балансера найбільш ефективно виконують станції, засновані на технології газопоршневих двигунів (середньообертових двигунів внутрішнього згоряння). Ці станції працюють імпульсами щодня, здійснюючи тисячі пусків на рік, при цьому кількість пусків не впливає на їх вартість, а паливний ККД – найвищий з усіх існуючих сьогодні технологій простого циклу.

 Порівняння типового пікера й типового балансера за даними операторів станцій

В минулорічному звіті Bloomberg NEF прогнозувалося, що коефіцієнт використання встановленої потужності високоманеврених станцій буде рости. Це означає, що їх паливна ефективність також матиме все більше значення. Таким чином, газотурбінні станції є сенс використовувати для балансування, якщо вони вже встановлені в енергосистемі. Але через відносно високу вартість кожного пуску ГТУ і відносно низький ККД при умові, що в майбутньому балансер повинен буде працювати до 40% часу, інвестування в будівництво нових газотурбінних станцій має вкрай обмежені перспективи.

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

На практиці кількість пусків і зупинок з кожним роком зростає разом з часткою ВДЕ. Показовий приклад британської станції Centrica Brigg, що складається з п’яти газопоршневих агрегатів (ГПА). Вонав середньому здійснює 7,3 пусків на добу, а іноді - до 15 на добу. Пуски ГПА відбуваються як спільно, так і почергово - в залежності від потрібної потужності - і повністю керуються автоматикою.

Фактична кількість поагрегатних циклів пуску-зупинки протягом місяця газопоршневої станції Centrica Brigg, що складається з п’яти ГПА потужність по 10 МВт. Джерело: Дані оператора станції.

Детальніше про технології

Розглянемо докладніше технології балансера і пікера з точки зору основних характеристик, необхідних для інтеграції ВДЕ.

• Робота в режимі балансування

Сучасні газопоршневі станції можуть досягати повного навантаження за 2 хвилини від команди на пуск з непрацюючого стану і з тією ж швидкістю зупинятися. За 3 хвилини станція готова до наступного циклу. Кількість пусків не обмежена та не впливає на ресурс чи графік технічного обслуговування.

Сучасні авіаційні газові турбіни потребують 10 хвилин, а промислові ГТУ – 15 хвилин для пуску та набору потужності, а також мають більш тривалий мінімальний час зупинки. Це впливає на витрати палива протягом перехідних процесів. Кількість циклів на добу обмежена як правило кількома, а кожен цикл має вартість, яка відображається через так звані еквівалентні години напрацювання. У свою чергу це скорочує міжремонтні інтервали, адже технічне обслуговування ГТУ відбувається в залежності від відпрацьованих годин.

• Витрати палива

ККД газопоршневих двигунів становить 48-51% при повному навантаженні, що приблизно на 8% процентних пунктів вище, ніж в авіаційних газових турбін і на 12% процентних пунктів вище, ніж у турбін великої потужності при повному навантаженні. Часткові навантаженнях газопоршневих двигунів також значно меншою мірою впливають на ККД, ніж у газових турбін, які споживають більше палива при роботі з неповним навантаженням.

З 80-х років 20-го століття поршневі двигуни стали більш ефективною технологією, ніж газові турбіни. За останні 30 років вони розвивалися у напрямі зростання одиничної потужності і ККД, а також паливної універсальності включно з можливістю переходу на відновлювані види палива без заміни основного обладнання.

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

• Експлуатаційна гнучкість для балансування мережі

Для всіх практичних застосувань газопоршневі двигуни не мають обмежень мінімального навантаження, тобто здатні працювати в діапазоні 0-100% номінальної потужності. Завдяки багатоагрегатності й каскадному підключенню агрегатів такі станції підтримують високий ККД в усьому діапазоні регулювання. Скажімо, електростанція, що складається з 10 агрегатів по 10 МВт, працюватиме з максимальною ефективністю на навантаженнях від 10 МВт до 100 МВт. Повний діапазон стійкого навантаження для неї буде 99%.

Більшість газових турбін мають екологічне обмеження мінімальної потужності на рівні 50%. Для розширення діапазону потужності виробники вдаються до різних заходів, що одночасно можуть зменшити вплив часткових навантажень на ККД, досягаючи в окремих випадках рівня мінімальної потужності 40%. Конкретне значення для кожного проєкту визначається місцевими умовами та вимогами.

Залежність ККД газових турбін від їх потужності призводить до вибору переважно ГТУ потужністю 50 МВт і вище. З урахуванням планового виведення на технічне обслуговування (ТО), це впливає на обсяг доступної потужності, яка періодично складатиме 50% у випадку 100 МВт станції. В разі десяти газопоршневих двигунів по 10 МВт доступна потужність ніколи не буде меншою за 90%.

• Деградація протягом терміну служби

Газопоршневі двигуни зберігають високі експлуатаційні характеристики впродовж усього терміну служби – їх потужність не знижується, а питома витрата палива відновлюється після проведення ремонтних робіт майже до вихідного рівня. У газових турбін, в свою чергу, при їх експлуатації знижуються потужність і ККД, і ці втрати не можуть бути повністю компенсовані за допомогою капітального ремонту.

Ресурси ГТУ та ГПА співставні. Необхідно відзначити відмінності серед ГПА: середньообертові двигуни зі швидкістю 500-750 об/хв широко застосовуються в енергетиці завдяки більшим одиничним потужностям та високому ККД, а також нижчим експлуатаційним витратам, порівняно з високообертовими двигунами (1000 об/хв і вище). 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. годин напрацювання). Замість повного ресурсу використовується поняття економічно обґрунтованого терміну служби.

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

• Витрати на обслуговування

Незалежно від кількості запусків на день, графік ТО газопоршневих двигунів заснований на фактичних годинах напрацювання. ТО газової турбіни при частих пусках, як вже було сказано, зазвичай розраховується за кількістю пусків, що призводить до  значно вищих витрат на технічне обслуговування в порівнянні з роботою при базовому навантаженні.

• Залежність від умов довкілля

Високі температури навколишнього середовища практично не впливають на роботу газопоршневих електростанцій, однак викликають зниження потужності і ККД газових турбін.

З прицілом на майбутнє

Існує безліч персональних поглядів і навіть сформованих колективних уявлень про «найкращий шлях» до майбутнього. Хтось вірить у твердий поступ енергетичного переходу, хтось прагматично оцінює здатність енергосистем до великих змін. Але як об’єктивно оцінити можливі сценарії?

Минулого року в Україні було представлено масштабне дослідження сценаріїв розвитку енергосистеми до 2050 р. від Wärtsilä. Компанія здійснила моделювання за допомогою високоточного інструменту PLEXOS, визначивши оптимальний, тобто найдешевший з усіх можливих варіантів, склад потужностей для кожного з 30 наступних років. Через здешевлення технологій ВДЕ вже до кінця цього десятиліття очікується початок стрімкого нарощування потужності вітрової та сонячної генерації у масштабах, яких ми ще не бачили. Для балансування енергосистеми буде необхідно побудувати 17,7 ГВт високоманевреної генерації (газопоршневих станцій) та 18,3 ГВт систем накопичення енергії. Така комбінація є найбільш виправданою з економічної і технічної точок зору, тобто вона забезпечить стійкість енергосистеми з найменшою вартістю для споживачів.

Симуляція диспетчеризації енергосистеми для покриття навантажень кожних 2 години впродовж 30 років у PLEXOS дала можливість побачити експлуатаційні профілі окремих видів генерації у будь-який момент цього періоду. Ось як виглядає прогнозний графік роботи газопоршневої станції в січні 2030 року. Можемо відзначити його подібність до графіку фактичних навантажень станції Barker Inlet у Австралії вже сьогодні.

Розрахунковий експлуатаційний профіль гіпотетичної газопоршневої станції у моделі PLEXOS

Змодельована оптимальна енергосистема є на 83% безвуглецевою. Для досягнення цілковито відновлюваної енергосистеми її газові балансуючі потужності на певному етапі мають перейти на використання відновлюваних видів палива. Активні дослідження та конструкторські розробки в галузі виробництва зеленого водню, синтетичного метану, аміаку та ін. обіцяють їх появу згодом за доступною ціною. А виробники генеруючого обладнання вже сьогодні говорять про швидке підтвердження придатності до роботи з паливом майбутнього.

Отже, інвестиції у високоманеврену генерацію мають тривалу перспективу.