Что если смешать? Как ветряная и солнечная энергетика могут работать сообща

Мировые новости: учитывая падение стоимости технологий, их смешение  в разрезе ветряной и солнечной отраслей энергетики, а также энергохранения представляется одним из способов взаимоинтегрирования ВИЭ при меньшей суммарной стоимости.

Почти сдан… Находящийся в Австралии проект Kennedy компании Windlab сочетает в себе 43 МВт энергии ветра, получаемых с помощью 12 установок компании Vestas модели V136-3.6MW, 15 МВт от фотоэлектрических устройств, а также 2МВт/4МВт·ч энергонакопления.

После публикации октябрьского доклада «Межправительственной группы экспертов по изменению климата», в котором решительно установлен 12-летний срок, в течение которого необходимо снизить темпы глобального потепления до 1,5 ºC, президенту австралийской компании-разработчика Windlab Роджеру Прайсу (Roger Price) пришлось внимательно подходить к выбору слов.

«Энергетический сектор находится в стадии перехода. Кто-то уже сейчас относится к этому процессу с оптимизмом. В итоге экономическая составляющая станет более прозрачной», – заявил Прайс.

«В большинстве стран, входящих в «Организацию экономического сотрудничества и развития», несовременные электростанции – как правило угольные – были построены государством. Эти станции не смогут «прыгнуть выше головы» своего срока эксплуатации.

Рано или поздно их нужно заменить не только более дешёвым, но и более экологичным видом генерации. В ближайшие 20 с небольшим лет ветряная и солнечная энергетика заменит большую часть устаревшей генерации».

Те, кто осознают это и будут действовать решительно, преуспеют первыми», – прогнозирует Прайс.

По словам представителей Windlab они разрабатывают крупнейшую экологичную электростанцию смешанного типа для коммунальных предприятий.

По введении в эксплуатацию в начале 2019 г., энергопарк Kennedy будет сочетать в себе 43 МВт энергии ветра, 15 МВт от фотоэлектрических устройств, а также 2МВт/4МВт·ч энергонакопления.

«Каждый из элементов – солнечная, ветроная энергетика, энергонакопление и генерация в оперативном порядке – интегрированы и находятся непосредственно до точки технологического присоединения. В глазах распределительной компании Ergon Energy они представляют собой единый источник энергии», – заявляет Прайс.

Когда четыре года назад в Windlab начали работу над этим проектом, целью было желание понять, насколько глубоко возможно интегрировать генерацию с помощью ВИЭ в общую энергосеть.

В районе Северный Квинсленд солнечные ресурсы в превосходном состоянии, ветровые – частью достаточного качества, коэффициент производительности составляет 45 %.  В некоторых зонах они используются совместно.

«В обычных условиях ближе к вечеру, к заходу солнца, в районе 16-17 часов, поднимается ветер, который не ослабевает почти до 9 утра следующего утра», – заявляет Прайс.

Электростанция расположена в довольно удалённой местности, присоединена к 66-кВ кабелю и обладает мощностью 50 МВт. Уже действующая отдельностоящая фотоэлектростанция мощностью 18 МВт присоединена к общей энергосети.

Добавление 58 МВт мощности от энергии солнца и ветра намного превысило бы пропускную способность кабеля и привело к сокращению передаваемой энергии, особенно в тех случаях, когда выработка обоих типов энергии на станции Kennedy достигает высоких показателей.

Как предотвратить сокращение

Именно для таких случаев на станции Kennedy вместо возникавшего бы в противном случае сокращения передаваемой энергии предусмотрено её накопление в аккумуляторах, которые запрограммированы либо на её отдачу в сеть по высокой цене (через арбитражную сделку), либо на подачу энергии с целью обеспечения сети сопутствующими услугами, наподобие стабилизации частоты.

В качестве наглядного примера всёвозрастающей доходности арбитражных сделок можно привести оптовые цены на электроэнергию прошлого года, которые находились в районе значения 75 AUD/МВт·ч (австралийские доллары) ($53/МВт·ч) (американские доллары).

Однако, высокая степень проникновения солнечной энергетики в регион, где уже имеется 6 ГВт установленной мощности, главным образом в виде установленных на крышах солнечных панелей, переизбыток солнечной генерации устремит оптовые цены к нулю.

Считается, что создающее переизбыток солнечной энергии бесконечное строительство соответствующих электростанций только увеличит разрыв между ценами пикового спроса и ценами тех периодов, когда выработка достигает максимальных значений при одновременном невысоком спросе.

Имеющееся в распоряжении Windlab программное обеспечение проекта Kennedy отвечает за распределение нагрузки и осуществление рыночных сделок.

Помимо поставки ветроустановок, компания Vestas разработала для электростанции смешанного типа контрольную систему ПО, позволяющую управлять всеми элементами, включая ветро- и солнечноэнергетические составляющие, энергонакопление, в качестве единой межоперационной системы.

Система «знает», когда требуется отдача энергии в сеть, когда следует направить её в аккумулятор, а когда необходимо сброить энергию в ответ на команды, подаваемые ПО Windlab по распределению нагрузки и рыночным операциям.

С целью тестирования концепций «ветер-и-хранение» (ВиХ) и «солнце-и-ветер» (СиВ), а также применения других отраслей знаний, например, средств управления системами и внедрения в энергосеть, в 2012 г. Vestas выполнила рабочий проект ВиХ и демонстрационный фотоэлектрический проект СиВ.

«Система ВиХ вот уже в течение шести лет предоставляет энергосистеме сопутствующие услуги, но до недавних пор мы не считали спрос на рынке достаточно устойчивым для продвижения на него наших мощностей», – делится Бо Хессельбек (Bo Hesselbæk), старший директор Vestas по продукции для электростанций.

Так что же думает г-н Прайс о перспективах электростанций смешанного типа, наподобие проекта Kennedy?

«Наши представления изменялись в течение всех последних четырёх лет. Мы искали преимущества объединения энергии солнца и ветра с позиции виртуальной сети. Ведь это способ достижения большей доли экологически чистой энергии в энергосети за меньшие деньги», – заявляет он.

Перерождение… В 2009 г. коммунально-сбытовая компания Hamburg Energie превратила бывшую мусорную свалку к югу от Гамбурга в электростанцию смешанного типа.

Преимущества дополнительного использования энергии ветра

В 2017 г. Windlab опубликовала результаты исследования, в ходе которого было установлено, что одним из способов избежать как чрезмерного сокращения передаваемой энергии, так и большого объёма инвестиций в энергонакопительный сектор таких регионов, как Северный Квинсленд, генерация в которых ярко выражена в виде солнечной, а также ветровой – в статусе вспомогательной, будет большее использование как раз энергии ветра.

Согласно этому исследованию, даже в случаях когда доля фотоэлектрики достигает 60 %, сокращение передаваемой энергии превышает 45 %.

Соотношение 3/7 фотоэлектрики к ветровой генерации вызвало бы спад сокращения до 10 % при общей доле ВИЭ в генерации на уровне 60 %.

В исследовании спрогнозировано достижение к 2030 г. суммарной доли ВИЭ в электроэнергетике смешанного типа в штате Квинсленд уровня в 50 %.

Если эта цель будет достигнута исключительно путём применения фотоэлектрических установок, потребуется энергонакопление в объёме 50 ГВт·ч; но если на ветрогенерацию будет приходиться больше 50 % запланированных мощностей, то дополнительных аккумуляторных станций не потребуется.

На практике это означает необходимость определения качественных площадок под ВЭС, обеспечивающих высокие показатели продуктивности, признание в качестве первоочередной задачи технологическое присоединение ветровой генерации к энергосистеме, а также развитие передающей инфраструктуры с целью обеспечения достойных показателей ветровых ресурсов, с тем чтобы солнечная и ветряная энергетика совместно могли обеспечить экологически чистую, бесперебойную и недорогостоющую сеть энергоснабжения.

Существование настоящих электростанций смешанного типа (например, проект Kennedy) возможно в тех областях, которые нуждаются в новых мощностях, а кроме того обладают достойными взаимодополняющими солнечными и ветровыми ресурсами.

Два источника генерации могут быть присоединены к сети по цене одного, но выработка таким образом становится оптимизированной, снижая нормированную стоимость энергии.

Windlab занимается разработкой ветропроектов в Африке, включая ЮАР и Танзанию, и исследует возможности применения электростанций смешанного типа сразу в нескольких местах.

Улучшенное использование присоединения к сети

Ранее в этом году в Индии, переживающей в последние годы всплеск постройки предприятий ветро- и солнечной (фотоэлектрической) энергетики, была провозглашена политика «гибридного» применения энергии солнца и ветра с целью большей полноты использования и без того ограниченного числа точек технологического присоединения к сети.

Индийская «Корпорация гелиоэнергетики» в июне объявила о старте «гибридного» солнечно-ветряного тендера, на котором разыгрывались 2,5 ГВт мощности, хотя новостей о нём, кроме переноса срока его окончания с августа на сентябрь, больше не было.

«Агентство США по торговле и развитию» предоставило грант на техническое задание и планирование проекта смешанного типа, разработанного индийским энергопредприятием IL&FS Energy Development Company Limited (IEDCL) в штате Андхра-Прадеш.

Почти три года назад IEDCL сообщило властям штата, что электростанции смешанного типа, работающие на возобновляемых источниках энергии, являются подходящим решением для поддержания высокой доли ВИЭ в общей энергосети.

В сравнении с элетростанцией, работающей за счёт одного ресурса ВИЭ и обеспечивающей уровень сгенерированной электроэнергии, которую можно пустить на распределение нагрузки, в пределах 40 %, электростанция смешанного типа обеспечивает 70-80 % такой генерации.

«Смешанное использование ресурсов повышает уверенность в такого типа генераторах», – сообщает Фрэнк Джейкоб (Frank Jakob), управляющий по энергонакоплению в проектировочно-консультационной фирме Black & Veatch.

«Более совершенные средства управления, с помощью которых можно прогнозировать наличие ресурсов на часы вперёд, включая и ветровые ресурсы, подкрепляемые системами энергонакопления, повышают уверенность, а также ценность генерации».

В общем и целом энергонакопление улучшит выработку, укрепит надёжность и оптимизирует распределение нагрузки энергии, полученной при помощи данных ресурсов.

Г-н Джейкоб считает, что функциональная взаимозаменяемость лежит в основе бесперебойного, но в то же время динамичного взаимодействия между бо́льшим числом распределяемых энергоресурсов, используемым для управления изменениями электрической нагрузки, удовлетворения потребительского спроса, генерации электроэнергии и её накопления/хранения, в противовес более крупным, но уступающим по количеству генерирующим сооружениям.

Его организация обладает опытом постройки и эксплуатации микроэнергосетей, получающих энергию от генераций разного типа; в их числе одна, используемая компанией Shell в штате Техас, г. Хьюстон, в которой объединены установки солнечной фотоэлектроэнергетики, возвратно-поступательный газовый двигатель и накопительные батареи.

То же ПО, что и разработанное в Black & Veatch по стандартам открытым систем с использованием анализа поступающих данных и управляющее микроэнергосетью Shell,  будет использоваться и на ветро-солнечно-хранилищной электростанции IEDCL.

Black & Veatch берёт на себя техническую сторону проекта, включая оптимизацию солнечных (фотоэлектрических) и ветровых ресурсов, а также ёмкости энергонакопительных батарей для хранения энергии и её временно́й манипуляции. Строительные работы планируется начать ближе к концу 2019 г.

Компании-разработчики тем не менее принимают меры предосторожности. Пилотные проекты обеспечивают снижение рисков и улучшают возможности привлечения финансирования таких проектов смешанного типа. Объект в штате Андхра-Прадеш мощностью 42 МВт в окончательном виде планируется превратить в электростанцию мощностью 1 ГВт.

В зависимости от успешности инвестиций, направленных на улучшение электросетевой инфраструктуры региона, австралийский проект Kennedy должен стать единым проектом мощностью 1 ГВт, сочетающим в себе использование энергии солнца и ветра, а также энергонакопление.

Улучшенные технологии и прогнозирование

Успешное функционирование электростанций смешанного типа зависит от ряда факторов. Падение цен на энергию ветра и солнца и аккумуляторные батареи означает рост их экономической жизнеспособности.

Компания Nidec ASI, внедряющая системы энергонакопления и работающая с такими поставщиками электроэнергии, как Enel и EDF, обладает опытом в дополнительном оснащении ветро- и солнцеэнергетических электростанций накопительными батареями, а также в проектировании микроэнергосетей, основанных на использовании таких батарей и энергии ветра и солнца.

Более «умные» сети… Использование взаимодополняющих возобновляемых ресурсов улучшает надёжность сети, в то время как улучшенные схемы прогнозирования помогают управлять разрядкой и зарядкой аккумуляторных батарей.

Кайла Хэйнс (Kaila Haines) указывает в качестве одного из факторов необходимость снижения цен по договорам о покупке электроэнергии (ДПЭ) в отраслях ветровой и солнечной генерации.

«Цены по ДПЭ от энергии ветра находятся на уровне $21/МВт·ч, а от энергии солнца – $36/МВт·ч. В некоторых проектах применение солнечных и энергонакапливающих установок оказывается таким же дешёвым, каким ещё недавно было применение исключительно солнечных», – делится она.

Если подходить с технологической стороны вопроса, расширение до применения технологий прогнозирования условий ветра играет на руку совместному использованию ветроустановок и энергонакопительных батарей.

Перебои в ветрогенерации случаются более часто и имеют более значительный эффект, чем в гелиогенерации, что создаёт возможности для энергохранения с целью снижения сокращения передаваемой энерии, укрепления показателей выработки и улучшения надёжности сети.

В среднем прогнозируемость для солнечной энергетики находится в районе 90 %, в то время как таковая для ветряной составляет 70 %.

«Если имеется способ улучшения прогнозируемости путём применения более точного технического прогнозирования, то он позволит более активно управлять разрядкой и зарядкой батарей.

Обычно требуется увеличение размеров батареи, чтобы справиться с пиковыми нагрузками, возникающими при внезапных порывах ветра. Лучшая прогнозируемость поможет облегчить их эксплуатацию и увеличить её продолжительность».

На о. Мартиника (Французские Антильские острова) Nidec ASI поставила для нужд 14-мегаваттного ветропарка накопительную батарею с показателями 5МВт/5МВт·ч, а также систему управления производством и распределением электроэнергии.

Это позволило сетевому оператору лучшим образом оценить прогноз производства электроэнергии, с тем чтобы достичь повышенных показателей стабильности сети и увеличить отдачу энергии в неё.

Хэйнс сообщает, что: «В этом проекте больший упор идёт на погодные данные, в т.ч. о ветряных потоках, которые встроенные алгоритмы считывают в оперативном порядке; затем за счёт этих данных достигается 80 % прогнозируемости к концу года, а в 2019 г. мы достигнем 90 %».

В случае дальнейшего падения цен на ВИЭ и энергонакопительные батареи, «извергающиеся» угольные ТЭС скоро могут стать достоянием прошлого.

Эти летом впервые за последнее десятилетие цена на углеродные квоты в Евросоюзе достигла €20/тонна. Если рост продолжится, внимание инвесторов будет всё больше обращено в сторону ВИЭ.

Клайв Тертон (Clive Turton) президент Vestas Asia Pacific заявляет, что: «Мы не думаем, что существует предел объединению технологий на электростанциях смешанного типа.

Вариантов много, и каждый из них свойственен конкретному правовому климату, доступности ресурсов и их взаимозаменяемости, предпочтениям покупателей и ситуации на рынке».

Источник Windpower Monthly