Scientific journal

Научное обозрение. Экономические науки

ISSN 2500-3410

ПИ №ФС77-57503

Энергосистема России представляет собой совокупность энергосистем, расположенных на территориях всех субъектов РФ, а также объединенные энергетические системы: Центр, Северо-Запад, Юг, Средняя Волга, Восток, Сибирь, Урал. Но есть и территории, которые считаются изолированными от общей энергосистемы и по причине труднодоступности считаются удаленными от крупных городов, где у местных жителей нет полноценного доступа к базовым услугам, таким как транспорт, образование и медицинское обслуживание.

По разным оценкам, численность населения на этих изолированных территориях составляет около 700 тыс. чел. [1]. Производство электроэнергии для них осуществляется местными объектами генерации, а доставка до потребителей осуществляется с помощью местных (изолированных) сетей.

В связи с тем, что во всех таких населенных пунктах единственным источником энергоснабжения является местная дизельная электрическая станция (ДЭС), а дизельное топливо доставляется с большими трудностями и в ряде случаев доставка может длиться до двух лет, производимая из такого топлива энергия – дорогая [2].

В это же время на протяжении последних 15 лет наблюдается стремительное развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Именно развитие технологий в сфере ВИЭ и становится предпосылкой к тому, что технологии получения и хранения энергии, основанные на использовании энергии с использованием фотоэлектрической системы и ветровых установок, становятся все более совершенными и экономически выгодными [3].

Разработка принципиально новых решений для изолированных территорий – автономные гибридные энергетические установки (АГЭУ), позволят изменить механизмы реализации и способы распределения и потребления электроэнергии [4].

Гибридные установки отличаются высокой универсальностью и предлагают индивидуальные решения для удовлетворения разнообразных энергетических потребностей [5]. Автономные системы электроснабжения (АСЭ) и автономные гибридные энергетические комплексы (АГЭК) основаны на едином технологическом принципе, позволяющем не только экономить топливо, но и улучшать качество электроснабжения, тем самым повышая безопасность эксплуатации электроустановок и экологичность окружающей среды.

Материалы и методы исследования

АГЭУ представляет собой энергетическую установку, которая работает на двух или более различных источниках энергии, что позволяет обеспечить стабильное и непрерывное производство энергии. Такие установки обычно имеют большую эффективность и экологическую чистоту по сравнению с традиционными энергетическими установками.

В частности, к АГЭУ относятся:

1. Гибридные солнечно-ветровые энергетические установки: сочетают в себе солнечные панели и ветрогенераторы для получения электроэнергии при различных погодных условиях.

2. Гибридные солнечно-тепловые энергетические установки: комбинируют солнечные коллекторы для обогрева воды и солнечные панели для получения электроэнергии.

3. Гибридные геотермально-солнечные энергетические установки: объединяют геотермальные тепловые насосы для получения тепла из земли и солнечные панели для получения электроэнергии.

4. Гибридные гидро-солнечные энергетические установки: комбинируют гидроэнергетические установки, такие как гидроэлектростанции или приливные электростанции, с солнечными панелями для повышения общей энергетической производительности.

5. Гибридные биомассовые-солнечные энергетические установки: сочетают солнечные панели с использованием биомассы, такой как древесина или сельскохозяйственные отходы, для производства электроэнергии и тепла.

6. Гибридные водородно-солнечные энергетические установки: используют энергию солнца для производства водорода, который может быть использован в качестве чистого топлива для генерации электроэнергии.

Перечень гибридных энергетических установок не ограничен приведенными примерами, существует множество других возможных комбинаций различных источников энергии. Возможности гибридных систем постоянно расширяются с развитием новых технологий и исследований в сфере энергетики [6].

Как правило, АГЭУ состоит из ДЭС (которая чаще всего уже установлена на объекте), фотоэлектрической системы (ФЭС) или ветроэнергетической установки.

Также автономные гибридные энергетические комплексы включает в себя систему накопления энергии (СНЭ) и инверторы для управления установкой в автоматическом режиме. АГЭУ можно настроить таким образом, что энергия, вырабатываемая солнечной электростанцией, будет наиболее предпочтительно использоваться в сети электроснабжения.

В целях сбережения солнечной энергии аккумуляторы выступают в роли своеобразного буфера, позволяющего уменьшить ее расходование в вечернее время суток. Основное техническое решение одного из самых популярных видов АГЭУ включает компоненты ВИЭ и дизельной генерации (рисунок).

Основное техническое решение АГЭУ Источник: составлено авторами

Кроме того, с помощью аккумуляторов оптимизируется загрузка дизель-генераторной установки (ДГУ) (аккумуляторы используются для «дозагрузки» ДГУ до оптимальной мощности, вследствие чего ночью, когда нагрузка очень мала, ДГУ отключаются и электроснабжение осуществляется от аккумуляторных батарей), что способствует продлению ресурса дизельного генератора.

Результаты исследования и их обсуждение

Во многих открытых источниках приводятся данные о том, что первая в России АГЭУ для электроснабжения изолированного поселка была построена в поселке Яйлю Республики Алтай в 2013 г. Установка имеет мощность 100 кВт и была предназначена для автономного бесперебойного обеспечения п. Яйлю электроэнергией вместо 100 %-ного использования ДЭС, которая уже не отвечала требованиям безопасности в полном объеме.

В селе Менза Забайкальского края в 2017 г. была построена АГЭУ, ставшая еще одним социальным проектом. АГЭУ состоит из солнечных модулей общей мощностью 120 кВт, двух ДГУ по 200 кВт и накопителя энергии емкостью 300 кВт*ч. Реализация этого проекта позволила не только обеспечить бесперебойным энергоснабжением порядка пятисот жителей поселка, но и на 50 % снизить потребление дизельного топлива, что выгодно для регионального бюджета, субсидирующего неэффективную дизельную генерацию.

Еще две АГЭУ были введены в эксплуатацию на территории Республики Тыва в конце 2019 г. в пос. Кызыл-Хая и Мугур-Аксы. АГЭУ в поселке Кызыл-Хая состоит из ДЭС мощностью 400 кВт и ФЭС мощностью 150 кВт, емкость СНЭ составляет 250 кВт*ч. АГЭУ в пос. Мугур-Аксы состоит из ДЭС мощностью 1200 кВт и ФЭС мощностью 400 кВт, емкость СНЭ составляет 460 кВт*ч.

Все эти и последующие реализованные объекты на Чукотке и других регионах Дальнего Востока показали свою эффективность и экономическую целесообразность благодаря механизму энергосервисных контрактов, что послужило появлению на рынке АГЭУ такого крупного игрока, как ПАО «РусГидро». В 2021 г. ПАО «РусГидро» начинает реализацию проектов развития локальной энергетики с использованием ВИЭ в Республике Саха (Якутия) и на Камчатке и объявляет конкурсы на строительство порядка 30 АГЭК в этих регионах. В планах компании было ввести в эксплуатацию АГЭК в 72 населенных пунктах Якутии и в 7 населенных пунктах Камчатки. Уже известно о 6 введенных (таблица) в эксплуатацию АГЭК.

В связи с тем, что на Дальнем Востоке значительное число населенных пунктов с невысоким потреблением электроэнергии или низкой солнечной инсоляцией, реализация АГЭУ в этих местах экономически нецелесообразна. В этой связи начиная с 2022 г. Минвостокразвития совместно с ПАО «РусГидро» согласовывают программу обновления 382 устаревших дизельных энергообъектов. Сейчас данные объекты изношены на 60–80 %, поэтому для обновления сопутствующей инфраструктуры требуется более 80 млрд руб.

Реализованные проекты Группы РусГидро в Республике Саха (Якутия)

Примечание: составлено авторами.

По предварительной оценке, инвестиции позволят запустить полномасштабную программу модернизации в удаленных населенных пунктах и приступить к решению сложившейся ситуации, которая не решается годами: замена устаревшего оборудования, внедрение передовых современных технологий и оптимизация стоимости производства электроэнергии [7]. В начале 2023 г. ГК «Хевел» в эксплуатацию была введена самая крупная в России АГЭУ суммарной мощностью 14,1 МВт (мощность ФЭС составляет 2,5 МВт). АГЭУ построена в п. Тура Красноярского края в дополнение к существующей ДЭС. В дневные часы выработанная от солнечной электростанции электроэнергия выдается в общую сеть, замещая часть дизельной генерации, а СНЭ сглаживает колебания мощности солнечной электростанции. АГЭУ в год экономит 12–15 % дизельного топлива, но из-за высокой стоимости дизельного топлива возврат инвестиций осуществляется за счет сохранения экономии расходов на топливо в тарифе в течение 10–15 лет.

Одним из интересных проектов является строительство АГЭУ на острове Бонайре Карибского моря, ежегодно посещаемый 70000 туристов. В 2004 г. пожар уничтожил существующую ДЭС острова. Несмотря на разрушительные последствия, это событие побудило жителей Бонайре спроектировать новую систему производства электроэнергии с нуля. После сдачи в аренду дизельных генераторов правительство и местная энергетическая компания приступили к совместной разработке плана по выработке 100 % электроэнергии Бонайре из ВИЭ. Цель создания 100 %-процентного производства электроэнергии из возобновляемых источников заключалась в том, чтобы создать рабочие места и снизить тарифы, которые жители платят за электроэнергию. К 2015 г. 44 % электроэнергии на Бонайре вырабатывалась за счет энергии ветра. Установленные 12 ветряных турбин общей установленной мощностью в 11 МВт обеспечивали до 90 % электроэнергии острова в периоды сильного ветра. Встроенный в систему аккумулятор емкостью 100 кВт*ч позволил использовать дополнительные дизельные генераторы (общая мощность ДЭС 14 МВт), которые запускались при внезапном снижении ветровой нагрузки. Тарифы на электроэнергию, которые платят потребители Бонайре, снизились с пикового уровня в 0,50 доллара за кВт*ч в 2008 г., когда остров обеспечивался электричеством с помощью временных дизельных генераторов, до 0,34 доллара за кВт*ч на конец 2015 г. С целью большей интеграции ВИЭ и с целью предотвращения ситуаций сокращения произведенной электроэнергии от ВИЭ к концу 2019 г. на острове была построена система хранения энергии мощностью 6 МВт. Следующие шаги по преобразованию энергетики острова в сторону 100 %-процентной возобновляемой системы энергоснабжения включают солнечные электростанции, дополнительные хранилища энергии и повышение энергоэффективности. Остров также является местом изучения местных ресурсов водорослей, выращиваемых на больших солончаковых равнинах острова, для получения биотоплива, которое затем можно будет использовать в существующих генераторах. Это сможет позволить на 100 % использовать возобновляемую систему электроснабжения, обеспечивающую в среднем 40–45 % годовой выработки электроэнергии за счет ветра и 55–60 % за счет использования биодизельного топлива.

Также в качестве примера приведем проект по строительству АГЭУ на острове Неккер (Британские Виргинские острова). Остров, расположенный на северо-востоке Карибского моря, был куплен предпринимателем Ричардом Брэнсоном, который использовал его в качестве испытательного полигона для перехода к безуглеродной энергетике. До 2014 г. дизельное топливо было единственным ресурсом, используемым для выработки электроэнергии, но в 2014 г. Ричард Брэнсон приступил к поэтапному отказу от использования всего дизельного топлива на острове. На конец 2016 г. было установлено 300 кВт ФЭС с одной ветряной турбиной мощностью 900 кВт, аккумулятором мощностью 500 кВт*ч и усовершенствованными системами управления. В 2017 г. по всему Карибскому бассейну прошел разрушительный ураган Ирма, после чего была проведена масштабная реконструкция и к имеющемуся оборудованию были достроены еще две ветряные турбины по 900 кВт, а также были заменены разрушенные солнечные панели. На сегодняшний день в совокупности ветряные турбины, солнечная ферма и аккумуляторная система позволяют острову обходиться без дизельных генераторов около 90 % времени и снижать углеродный след на 2,5 т ежедневно.

Заключение

Все эти примеры построенных АГЭУ показывают, что они могут быть полезны в различных секторах. Они особенно ценны в удаленных или отключенных от сети районах, где ограничен доступ к надежному электричеству. АГЭУ могут обеспечивать электроэнергией сельские общины, островные регионы, горнодобывающие предприятия и промышленные объекты, расположенные вдали от основных инженерных сетей. Используя доступные возобновляемые ресурсы и интегрируя их с обычными генераторами, АГЭУ работают автономно и снижают зависимость от дорогостоящих и вредных для окружающей среды поставок топлива.

Одним из основных преимуществ АГЭУ является их способность максимально эффективно использовать ВИЭ. В пиковые периоды выработки возобновляемой энергии избыток электроэнергии можно накапливать в батареях или использовать для питания критических нагрузок, уменьшая зависимость от обычных генераторов и снижая расход топлива. Это не только приводит к экономии средств, но и сокращает выбросы парниковых газов, делая АГЭУ экологически чистой альтернативой.

Кроме того, АГЭУ обеспечивают повышенную устойчивость к энергопотреблению. За счет диверсификации источников энергии они могут снизить риск перебоев в подаче электроэнергии и обеспечить непрерывное электроснабжение даже при экстремальных погодных явлениях или отказах оборудования. Гибкость АГЭУ позволяет им переключаться между источниками энергии в зависимости от доступности, стоимости и конкретных требований, обеспечивая большую адаптивность к изменяющимся условиям.

На отдельных объектах АГЭУ доказали свою эффективность в обеспечении устойчивости к стихийным бедствиям и сценариях реагирования на чрезвычайные ситуации. Во время стихийных бедствий АГЭУ могут обеспечивать критически важным питанием основные службы, такие как больницы, убежища скорой помощи и сети связи. Сочетание ВИЭ и СНЭ обеспечивает непрерывное энергоснабжение, позволяя критически важным объектам восстанавливаться быстрее и эффективнее.

Приведенные проекты демонстрируют успешное внедрение АГЭУ в различных условиях, начиная от изолированных поселков или отдаленных островных территорий и заканчивая военными базами и эксклюзивными курортами. Интеграция ВИЭ, передовых систем хранения и интеллектуального управления энергопотреблением позволяет АГЭУ обеспечивать надежное и устойчивое энергоснабжение, что в дальнейшем способствует энергетической безопасности и переходу к более чистой энергетике будущего.