Как виртуальные электростанции дают реальную экономию и надёжность

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) имеют много преимуществ, в числе которых отсутствие выбросов в атмосферу, сохранность природных ресурсов, а также относительно простое развёртывание. Но бонусы от использования ВИЭ имеют свою цену. Речь о том, что количество электричества, вырабатываемое ВИЭ, сильно зависит от времени года, погоды и множества других факторов. При этом потребление электричества меняется в широких пределах, и пиковый объём легко может прийтись на минимум генерации.

С другой стороны, ВИЭ могут вырабатывать и больше электричества, чем нужно подключенным к ним потребителям. Это тоже становится проблемой, поскольку «лишнюю» энергию просто некуда деть, если накопительные аккумуляторы заряжены до предела, а ветер не собирается утихать.

Выработка обычных электростанций в меньшей степени зависит от сюрпризов природы, но у них существуют проблемы со скачками потребления. В сильные морозы потребление растёт из-за включения обогрева. В жару нагрузка увеличивается из-за работающих кондиционеров. При аварии на какой-то подстанции нагрузка может передаваться другим, причём в некоторых ситуациях это приводит к эффекту веерных отключений, когда перегрузка одного узла вызывает перегрузку второго, третьего и так далее. В результате целые регионы погружаются в темноту, как случилось в 2003 году на северо-востоке США.

Чтобы предотвратить перегрузки энергосистемы, поставщики электроэнергии резервируют часть мощности. Как правило, резерв составляет от 10 до 15%, но некоторые операторы с непредсказуемыми пиковыми нагрузками вынуждены закладывать ещё больше.

Резервированные мощности до 90% времени остаются невостребованными. Поставщики оплачивают генерацию этой электроэнергии, но не получают от неё никакой прибыли, работая себе в убыток.

Если посмотреть на ситуацию со стороны, кажется целесообразным совместить преимущества традиционных и возобновляемых электростанций, используя излишки выработки ВИЭ в качестве резервных мощностей, а резерв обычных электростанций направлять на подпитку ВИЭ при неблагоприятных погодных условиях.

Добавив в эту схему систему контроля потребителей и генерирующих узлов, а также интеллектуальную систему управления всеми процессами, мы получим решение, получившее название виртуальной электростанции (ВЭС, VPP — Virtual Power Plant) — системы, которая создаёт дополнительную электроэнергию благодаря оптимизации процессов её производства и потребления.

Как устроены виртуальные электростанции

Виртуальная электростанция объединяет ресурсы множества распределённых источников и потребителей энергии, управляя ими как единым целым. Она балансирует работу энергосистемы, выявляя причины пиковой нагрузки и сглаживая скачки потребления.

На сегодняшний день не существует единого стандарта реализации виртуальных электростанций. Структурно можно выделить следующие компоненты ВЭС:

1) источники энергии,

2) потребители электричества,

3) система накопления энергии,

4) датчики IoT для сбора информации и управления работой потребителей,

5) ПО, управляющее работой энергосети.

В качестве источников электроэнергии ВЭС может использовать ВИЭ — ветрогенераторы, солнечные электростанции, гидроустановки, а также энергоустановки, работающие на биотопливе. В качестве потребителей к виртуальной электростанции подключают дома, теплицы, фабрики и производственные цеха и теплоэлектроцентрали, сбор информации и управление которыми обеспечивают устройства IoT — интернета вещей. Такими датчиками оснащаются все компоненты виртуальной энергосистемы, ведь чтобы выполнять свои функции, ВЭС нужна информация о выработке и потреблении. Чем полнее и точнее эта информация, тем эффективнее работает система.

Датчики IoT уведомят систему о том, что накопительные аккумуляторы заряжены полностью, и избыток генерации нужно куда-то направить. Они же на 1-2 градуса понизят температуру воды в водонагревателях, когда прогноз погоды обещает потепление, что в масштабах коттеджного посёлка обеспечивает экономию потребления и сглаживает утренние пики. Регулируя работу промышленного оборудования, удаётся без нарушения технологических процессов высвободить десятки мегаватт.

Добиться такой эффективности позволяет мозг виртуальной электростанции, его управляющее ПО. Как правило, оно реализуется на базе нейросетей и искусственного интеллекта с использованием технологий обработки больших данных.

Система накапливает и анализирует сведения о мощности подключенного к ВЭС оборудования, текущей выработке, состоянии аккумуляторов, особенностях эксплуатации и даже бытовых потребительских привычках. Избыток выработанной и сэкономленной энергии может накапливаться или продаваться в единую энергосистему по наиболее выгодным расценкам в периоды, которые вычисляет управляющее ПО ВЭС.

 

Мировой опыт

США

Перспективным выглядит опыт внедрения ВЭС для управления энергосистемой коттеджных посёлков и небольших городов. Например, виртуальная электростанция, реализованная американской компанией New Brunswick Power, объединяет 1400 домов и 30 организаций, а также ветроэлектростанцию. ВЭС управляет температурой воздуха, мощностью водонагревателей и другого оборудования, в результате чего высвобождается ресурс в 17 МВт, а утренние пики потребления проходят незаметно для энергосистемы.

Для крупных городов также есть подходящие варианты. Так, в 2015 году энергетические компании New York Con Ed, SunPower и Sunverge анонсировали пилотный проект виртуальной электростанции стоимостью $15 млн. В рамках проекта на крышах 300 частных домов в Бруклине и Квинсе размещены солнечные панели мощностью от 7 до 9 кВт и аккумуляторы для хранения энергии. Солнечные панели объединены в единую управляющую сеть виртуальной электростанции. Энергокомпаниям не пришлось тратиться на покупку участков для размещения оборудования, а владельцы домов-участников проекта получают «чистую» энергию бесплатно.

Европа

Виртуальная электростанция в Словении, построенная австрийской компанией cyberGRID, работает на базе энергетического предприятия Elektro Ljubljana с 2011 года. ВЭС решает задачи снижения нагрузки сети и регулирования распределённой генерации. Энергетики используют мощность ВЭС для третичного резерва. С момента запуска виртуальной электростанции удалось добиться постоянного наличия положительного пика, а также более 63 МВт подключенной мощности. В числе потребителей словенской ВЭС химические и металлургические предприятия, торговые центры, бумажные комбинаты, производители стекла и керамики.

В 2017 году финская компания Fortum Corporation построила виртуальную электростанцию мощностью 100 кВт, объединив мощности 70 водонагревательных котлов коттеджного посёлка. Это был первый в Финляндии опыт использования мощностей бытовых потребителей для поддержания нагрузки энергосистемы. Используя средства управления, предоставляемые ВЭС, финский энергооператор Fingrid может дистанционно управлять мощностью водонагревателей, снижая потребление в периоды, когда энергосистема работает в близких к пиковым режимах.

Австралия

В ноябре 2017 года компания Tesla завершила строительство гигантской станции Hornsdale Power Reserve на 100 МВт/129 МВт•ч в Южной Австралии. Регион, в котором установлена ВЭС, получает основную часть энергии от солнечных батарей и ветрогенераторов. Когда нет ветра и пасмурно, включаются газогенераторы, подключённые к паровым турбинам.

Эта ВЭС очень быстро реагирует на резкие изменения в электросети: когда 14 декабря 2017 года угольная электростанция Loy Yang A 3 внезапно отключилась от общей сети, станция Tesla среагировала на это событие в течение нескольких миллисекунд — на 4 секунды быстрее, чем резервный генератор частотного контроля и вспомогательных услуг (FCAS) в Квинсленде.

 

Преимущества виртуальных электростанций

Выгоды от внедрения ВЭС получают все участники рынка. Для распределительных и магистральных сетей это:

• снижение пиковых нагрузок,

• уменьшение рисков перебоев,

• повышение контроля над распределёнными источниками генерации,

• экономия инвестиций.

Сбытовые компании получают

• повышение надёжности энергоснабжения,

• дешёвые ресурсы,

• новые возможности в части биллинга и программ управления потреблением.

Владельцы энергетических установок и потребители также не остаются без дивидендов, получая плату за мощность, отдаваемую в энергосистему, экономию энергоресурсов и осмысленное энергопотребление.

По прогнозам исследовательского агентства P&S Market Research к 2023 году рынок виртуальных электростанций вырастет до $1,188 млрд, причём совокупный среднегодовой темп роста составит более 30%.

Использование ВЭС сокращает потери на передачу электроэнергии, уменьшает потребность в создании резервов для компенсации пиковых потреблений энергосистемы, в реальном времени оптимизирует процесс производства энергии в соответствии со спросом. Не создавая электроэнергию непосредственно, виртуальные электростанции позволяют высвобождать дополнительные мощности благодаря интеллектуальному управлению потребителями. Это более экологичный способ снизить вредные выбросы в атмосферу, чем традиционная генерация с управляемыми параметрами.

Таким образом, виртуальные электростанции обеспечивают максимум преимуществ всем участникам процесса от генерирующих и транспортирующих компаний до конечных потребителей.

Владимир Максимов,