Распределенная генерация в системах

Электроснабжения

Предпосылки и тенденции

Электроэнергетика экономически развитых стран мира, в том числе бывшего СССР, интенсивно развивалась в течение ХХ в. главным образом путем повышения уровня централизации электроснабжения при создании все более мощных электроэнергетических объектов (электростанций, ЛЭП). Следствием этого явилось формирование территориально распределенных протяженных электроэнергетических систем (ЭЭС). Это позволило достичь существенного экономического эффекта, повысить надежность электроснабжения и качество электроэнергии.

С начала XX в. технологии традиционных паротурбинных агрегатов тепловых и атомных электростанций развивались по пути использования все более высоких параметров пара, что требовало применения более совершенных материалов котлов и турбин. При этом наблюдалась тенденция увеличения единичной мощности установок. Все отмеченное позволяло улучшать технико-экономические параметры установок – удельные капиталовложения и постоянные текущие издержки на единицу мощности и удельные расходы топлива на единицу вырабатываемой электроэнергии. Указанная тенденция укрупнения агрегатов наблюдалась и в гидроэнергетике, хотя и в меньшей мере.

В 1980-е годы эта тенденция принципиально изменилась вследствие появления высокоэффективных (до 55–60 % КПД) газотурбинных и парогазовых установок (ГТУ и ПГУ) широкого диапазона мощностей, в том числе малых – от единиц до одного-двух десятков мегаватт. Отличительная особенность таких установок, преимущественно малых, – их высокая заводская готовность, что позволяет вводить их в эксплуатацию за период в пределах года. Одновременно появился большой ассортимент мини- и микро - ГТУ (от долей до нескольких десятков киловатт). На основе малых ГТУ начали сооружаться малые ГТУ-ТЭЦ для комбинированной выработки электроэнергии и тепла.

К малой энергетике относятся и многие типы энергетических установок на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), прежде всего ветроэнергетические установки (ВЭУ). Малые ГТУ, ПГУ и ВЭУ устанавливаются непосредственно у потребителей и подключаются к распределительной электрической сети на напряжениях 6-35 кВ. Эти установки получили название "распредельная генерация" [9].

Главными факторами, стимулирующими развитие распределенной генерации, являются:

· адаптация потребителей к рыночной неопределенности в развитии электроэнергетики и в ценах на электроэнергию; это способствует снижению рисков дефицита мощности и повышению энергетической безопасности;

· повышение адаптационных возможностей самих ЭЭС к неопределенности рыночных условий развития экономики и снижение тем самым инвестиционных рисков;

· появление новых высокоэффективных энергетических технологий (ГТУ и ПГУ);

· рост доли газа в топливоснабжении электростанций;

· ужесточение экологических требований, стимулирующее использование ВИЭ (гидроэнергии, ветра, биомассы и др.) при протекционистской политике государств.

1.2.2. Масштабы развития

Развитие малых ГТУ-ТЭЦ происходит достаточно интенсивно. В частности, в странах Европейского союза (ЕС) прогнозируется рост суммарной мощности ГТУ-ТЭЦ (прежде всего небольшой) с 74 ГВт в 2000 г. до 91–135 ГВт в 2010 г. и 124–195 ГВт в 2020 г. (в зависимости от энергетической политики ЕС), что составляет 12 % от суммарной генерирующей мощности стран ЕС в 2000 г., 13 – 18 % – в 2010 г., 15–22 % – в 2020 г. В российских условиях уже в настоящее время малые ГТУ-ТЭЦ оказываются эффективными. Расширение сферы газификации на средние и малые города и поселки городского типа, создание рынка высокоэкономичных, с коротким сроком сооружения, быстро ремонтируемых установок малых ГТУ-ТЭЦ обеспечивают их активное вовлечение в структуру генерирующих мощностей регионов страны. Так, в Астраханской области при нынешнем уровне генерации в 1060 МВт из 550 МВт электрической мощности, планируемой к вводу до 2020 г., 65,5 МВт должны составить малые ГТУ-ТЭЦ, а в более удаленной перспективе их потенциал может достигнуть 185–200 МВт. В Томской области при существующем уровне генерации в 1804 МВт к 2020 г. предполагается ввести 246 МВт, в том числе 130 МВт (53 %) за счет малых ГТУ-ТЭЦ. При этом используется отечественное оборудование.

Оценки показывают, что в перспективе потенциальные возможности сооружения малых ГТУ-ТЭЦ вместо неэкономичных устаревших котельных в городах и поселках могут составить суммарную электрическую мощность в 100 ГВт, количеством 12900 штук, средней единичной мощностью 7–8 МВт, а в максимальном варианте – соответственно 175 ГВт, 84 000 штук, средней единичной мощностью 2–3 МВт. Реалистичные прогнозы дают в целом по стране 25–35 ГВт к 2020 г. и 35–50 ГВт к 2050 г. малых ГТУ-ТЭЦ, т.е. до 10–15 % от суммарной установленной мощности генерации [10].

В последние годы использование ВИЭ для производства электроэнергии получило во многих странах значительное развитие. Западно-европейские страны планируют увеличить производство электроэнергии на базе ВИЭ к 2010 г. в среднем более чем на 10 %, особенно за счет использования энергии ветра. В настоящее время суммарная установленная мощность работающих в мире ВЭУ составляет более 31 ГВт, наибольшая по мощности единичная ВЭУ – 4,5 МВт – введена в Германии. Основные вводы ВЭУ приходятся на европейские страны – Германию, Данию, Великобританию, Нидерланды, Испанию, Швецию, Италию. Потенциал ветроэнергии имеется и в России.

Следует отметить, что в 2000 г. в России работали 12 ВЭУ (суммарная мощность 7,2 МВт), 2 геотермальные установки (23 МВт), 59 малых ГЭС в диапазоне мощностей 0,5–30 МВт (513 МВт), около 100 мини-ГЭС мощностью менее 0,5 МВт (40 МВт), 11 установок на биомассе (523 МВт). Все это составляет лишь 0,5 % установленной мощности электростанций России. Согласно энергетической стратегии России на период до 2020 г. потенциал возобновляемых энергоресурсов в стране достаточно велик (табл. 1.1), однако при этом установленная мощность ВИЭ прогнозируется лишь в следующих объемах: ВЭУ – 1–1,2 ГВт; малые и мини-ГЭС – 2,5-3 ГВт, геотермальные установки – 0,25-0,3 ГВт, что составляет весьма незначительную долю от суммарной генерации на этот период.

Т а б л и ц а 1.1

Потенциал возобновляемых энергоресурсов в России, млн т угольного эквивалента

Между тем в мире накоплен достаточно богатый опыт экономического стимулирования ВИЭ. Основными формами такой поддержки являются:

– субсидии и кредиты по низким процентным ставкам;

– гарантии по банковским ссудам;

– установление фиксированных закупочных цен на энергию, вырабатываемую на основе ВИЭ;

– освобождение от уплаты налога на часть прибыли, инвестированной в нетрадиционную энергетику;

– предоставление режима ускоренной амортизации;

– финансирование НИОКР в области нетрадиционной энергетики.

Опосредованно стимулирующее воздействие на использование ВИЭ оказывают такие инструменты экологической политики, как плата за загрязнение окружающей среды, за выброс парниковых газов, другие "зеленые" налоги.

Возобновляемые источники энергии наиболее широко используются в странах с активным экологическим регулированием, которое включает систему законодательных, административных и экономических инструментов. Эти инструменты применяются на государственном и муниципальном уровнях для стимулирования сокращения выбросов (не только энергетическими установками). Такой подход типичен для стран Скандинавии, Дании, Австрии, Нидерландов, Германии, США.

Специфические подходы к экологической политике отличаются у развивающихся стран (Китай, Индия и др.), которые сочетают прямое административное регулирование и косвенные экономические стимулы. Тем не менее экономическое стимулирование инвестиций в ВИЭ и в этих странах становится все более важным.

Стимулирующая политика в отношении ВИЭ начинает разрабатываться и в России. Так, группа американских и российских компаний разработала пилотный проект промышленной ветроэлектростанции мощностью 75 МВт, которая войдет в ЭЭС Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Электростанция будет состоять из 50 ветроустановок мощностью по 1,5 МВт каждая производства компании GE Wind Energy.

Строительство ВЭС поддерживает правительство Ленинградской области, которое готово предоставить участникам проекта налоговые льготы, в том числе на недвижимость и прибыль. Кроме того, были внесены поправки в проект регионального закона "О поддержке использования нетрадиционных возобновляемых энергетических ресурсов в Ленинградской области", а также предусмотрены налоговые льготы для промышленных потребителей электроэнергии, вырабатываемой с помощью ветра (и иных возобновляемых источников), которые способны покрыть разницу между тарифами на электроэнергию из традиционных и нетрадиционных источников. Реализация проекта позволит также разработать нормативные документы и методики проектирования аналогичных ВЭС и создать механизм гарантированного возврата заемного капитала, привлекаемого для финансирования сооружения ВЭС.

1.2.3. Электроэнергетические системы будущего

Символически их можно представить так (рис. 1.1): 1 – промышленные потребители, 2 – социально-бытовые потребители, 3 – традиционные крупные электростанции, 4 – малые ГТУ-ТЭЦ, 5 – мини- и микро-ГЭС, 6 – ВЭУ, 7 – солнечные электростанции, 8 – топливные элементы, 9 – поршневые двигатель-генераторы, 10 – накопители энергии, 11 – биогаз. Как видно из этого рисунка, ЭЭС будущего должны сочетать крупные источники электроэнергии, без которых проблематично электроснабжение крупных потребителей и обеспечение целесообразных темпов роста электропотребления, а также распределенную генерацию. Крупные электростанции имеют трансформацию на напряжения 110 кВ и выше и выход в основную сеть высших напряжений, осуществляющую транспорт электроэнергии до крупных центров потребления.

В то же время, как следует из вышеизложенного, должны получить существенное развитие установки распределенной генерации, в том числе на ВИЭ, которые устанавливаются в распределительной сети 6-35 кВ. Третий уровень составят мини- и микроустановки (мини- и микроГЭС, ВЭУ, солнечные электростанции, топливные элементы и т.п.), которые подключаются на напряжение 0,4 кВ и устанавливаются у небольших потребителей, например в отдельных домах или даже квартирах.