Электроэнергия

Развитие электроэнергетики определяется многими факторами, и перед ней постоянно встают новые задачи, призванные изменить способ производства, распределения и использования электроэнергии. В условиях постоянного роста энергопотребления, большая часть которого приходится на развивающиеся страны, региональные различия в способе потребления электроэнергии, скорее всего, будут увеличиваться. В странах с развитой экономикой стареющая инфраструктура порождает сложные проблемы и создает высокий спрос на технологии, которые смогли бы защитить окружающую среду и снизить энергопотребление. В странах с развивающейся и быстрорастущей экономикой большая потребность в электроэнергии вынуждает делать огромные инвестиции в новую инфрастуктуру для производства, передачи и распределения электроэнергии.

Хотя структура производства электроэнергии вряд ли сильно изменится, тем странам, которые собираются повысить долю возобновляемых источников энергии, потребуется повышенная надежность электрической сети. Во многих странах передающая и распределительная сети работают на пределе возможностей, и хотя в быстроразвивающихся азиатских странах строятся новые линии электропередачи, они строятся недостаточно быстро, чтобы удовлетворить растущие потребности. Для уменьшения дефицита электроэнергии и оптимизации использования имеющегося оборудования потребуется либо объединение нескольких сетей, либо привлечение других локальных ресурсов для производства электроэнергии.

Основной задачей, стоящей перед всеми странами, является надежная передача электроэнергии. Главная проблема кроется здесь в затратах на модернизацию существующих сетей и строительство новых. Особенно остро эта проблема стоит перед производителями оборудования, в связи с недостатком материалов и тем фактом, что стареющие основные фонды требуют все большего и большего обслуживания. Для снижения эксплуатационных расходов и повышения эффективности нужно сфокусировать внимание на снижении энергопотерь и на изменении способов потребления и продажи электроэнергии.

Политические стимулы

В большинстве развивающихся и в некоторых развитых странах спрос на электроэнергию растет пропорционально объему производства валового внутреннего продукта (ВВП) на душу населения. Правительства таких стран пытаются удовлетворить растущий спрос за счет строительства функциональных энергетических инфраструктур, которые способны охватить обширные географические территории, как, например, в Китае и Индии, или объединится в
инфраструктуры международного масштаба, как, например, в Африке и на Ближнем Востоке.

В странах с развитой экономикой инвестиции в электросети направлены, в основном, на устранение узких мест и модернизацию сетей для повышения их надежности и предотвращения массовых отключений. Для стимулирования инвестиций в электрическую инфраструктуру были приняты меры по отмене государственного регулирования в этой области. Однако это не дало ожидаемого результата и привело к нарушению баланса между объемом производства электроэнергии возрастающим спросом на нее во многих развивающихся странах.

Тот факт, что такие критические потребители, как больницы, производственные и обрабатывающие предприятия, Интернет и телекоммуникационные инфраструктуры, зависят от электричества, выдвигает на первый план надежность электроснабжения. Какие бы ни использовались первичные источники электроэнергии — атомные, ветровые или тепловые электростанции, в тех случаях, когда энергия производится не там, где потребляется, приходится вкладывать средства в сети передачи и распределения, чтобы обеспечить эффективную доставку больших объемов энергии.

Первоочередной задачей для всех стран будет обеспечение надежного электроснабжения.

На объединение энергосистем сильное влияние оказывают политические факторы. Во-первых, потребность в надежности электросетей выше в тех странах, где ощущается недостаток производства электроэнергии. В этом случае подключение к другим сетям может принести реальную пользу. Во-вторых, объединение энергосистем позволяет стабилизировать национальную сеть без существенных затрат за счет энергетических резервов других стран. И в-третьих, объединение энергосистем в рамках крупных политических структур, таких, например, как Европейский союз, является логическим следствием политической интеграции соседствующих стран.

Важным аргументом в пользу объединения энергосистем в международном масштабе является повышенная гибкость и расширенные возможности планирования новых генерирующих мощностей.

Проблемы охраны окружающей среды также связаны с политической ситуацией. Киотский протокол и другие международные соглашения стимулируют развитие новых способов производства энергии, и особенно с использованием возобновляемых источников энергии с низким уровнем выброса CO. Эти соглашения оказывают прямое влияние на типы электростанций, выбираемые для государственного субсидирования, и на технологии, включаемые компаниями в исследовательские программы.

Политика, направленная на освоение возобновляемых источников энергии, может оказывать различные воздействия. Принятие решения о быстром переходе на такие источники пяти или десяти процентов всего производства электроэнергии в стране возможно лишь при условии строительства больших прибрежных парков ветровых установок. Недавно компания АББ получила заказ на подключение самого большого в мире парка ветровых установок в Северном море к энергосети Германии. Для обеспечения достаточного энергетического запаса и повышения стабильности сети, необходима генерация дополнительных мощностей. С другой стороны, парки ветровых установок не очень популярны. Людям обычно не нравится близкое расположение ветровых турбин от их домов, также они выступают против строительства атомных электростанций, несмотря на то, что обе эти альтернативы безвредны для окружающей среды, как с точки зрения выбросов CO2, так и с точки зрения глобального потепления.

В разных регионах уделяют первостепенное внимание разным аспектам безопасности окружающей среды. Так, если в Западной Европе наличие линий электропередач на городских улицах считается неприемлемым, то в США и других странах это не вызывает никаких проблем. Для ЛЭП «право преимущественного проезда» очень существенно.

Проблемы бесперебойности и влияние отключений — как в Европе в 2003 г — породили целую серию политических дебатов, посвящен ных вопросам надежности электрических сетей. Прогноз роста общего энергопотребления

В некоторых странах были приняты новые законы, определяющие высокую степень финансовой ответственности электрических компаний за срыв поставок энергии потребителям. В других странах электрические компании заключают соглашения с крупными промышленными потребителями о снижении нагрузки в условиях перегрузок для повышения стабильности сети и предотвращения крупномасштабных отключений.
Делаются также попытки контролировать коэффициент мощности промышленного и другого электрического оборудования. Издаваемые законы, тарифы на электроэнергию и информационные кампании подталкивают заказчиков к выбору регулируемых приводов и двигателей с высоким КПД, а потребителей — к выбору экономичной бытовой техники.

Экономические стимулы

Спрос на электроэнергию тесно связан с экономическим ростом, особенно в странах с быстроразви-вающейся экономикой. По оценкам Международного энергетического агентства (IEA), в период с 2007 по 2030 год суммарное энергопотребление в странах с развивающейся экономикой будет расти в среднем на 4 процента в год (рис. 2). В отличие от этого прогнозируемый рост энергопотребления в странах с развитой экономикой составит в среднем 1,5 процента в год, а в странах Восточной Европы и бывшего Советского Союза с переходной экономикой — в среднем 3,5 процента. Ожидается, что лидерами роста энергопотребления будут Китай и США, которые за эти 23 года увеличат ежегодное потребление электроэнергии на три и два миллиарда киловатт-часов соответственно.

Прогноз роста общего энергопотребления в странах с развивающейся экономикой делался на основе прогнозируемого роста ВВП и населения. Рост ВВП, в свою очередь, зависит от доступа к надежным источникам энергии. В связи с тем что надежные источники энергии, рост ВВП и подъем жизненного уровня тесно связаны между собой, многие страны с развивающейся экономикой пытаются увеличить выработку электроэнергии и повысить надежность электросетей.

В Китае и Индии это привело к строительству новых электростанций в удаленных регионах, ближе к первичным источниками энергии. В связи с этим понадобились новые ЛЭП, способные передавать большие объемы энергии.

В США быстрый экономический рост породил потребность в увеличении объемов производства электроэнергии, что, в основном, будет обеспечиваться за счет модернизации существующих электростанций. Потребность в электроэнергии особенно высока в коммерческом секторе, где средний прирост на 2,4 процента в год уравновешивает рост эффективности электрического оборудования. В промышленном и коммунальном секторе ожидается умеренный рост энергопотребления.

Самый медленный рост энергопотребления ожидается в Западной Европе и Японии — на уровне 0,4 и 0,6 процента соответственно в коммунальном секторе, и 0,8 и 0,9 процента соответственно в коммерческом секторе. Основными причинами столь малого роста энергопотребления являются стабильный уровень или даже небольшое снижение численности населения, распространение информационных и коммуникационных технологий и переход на экономичные способы обогрева и охлаждения.

Ожидается, что в ближайшие два десятилетия обширный рост потребления электроэнергии сохранится на прежнем уровне и потребует порядка 10 000 миллиардов долларов вложений в новую электрическую инфраструктуру, причем почти половина этой суммы будет потрачена на системы передачи и распределения.

Многие страны с развивающейся экономикой пытаются увеличить выработку электроэнергии и повысить надежность своих электросетей.

В странах с развитой экономикой основная тенденция заключается в получении максимальной отдачи от существующих систем. Строительство новых линий передач затруднительно по многим причинам, основной из которых является проблема, связанная с «правом преимущественного проезда». У энергетических компаний практически отсутствует стимул вкладывать средства в инфраструктуру передачи и распределения электроэнергии, если инвестор сам не получает прибыли от этих инвестиций. Для них выгоднее передавать больше энергии по существующим линиям.

Нехватка электроэнергии в периоды пиковых нагрузок может приводить к кратковременным пропаданиям и долговременным отключениям электропитания. Недавние исследования, проведенные в 2005 году Европейским союзом по координации передачи электроэнергии (UCTE), показали, что в 2015 году ожидается недостаток резервов электроэнергии во всех европейских странах.

Отчет составлялся исходя из предположения о том, что текущие планы повышения объемов производства электроэнергии будут воплощены в жизнь. Наиболее экономичной мерой по преодолению дефицита электроэнергии является импорт энергии из соседней страны. Подключение к соседней энергосистеме позволяет стране эффективно стабилизировать свою электросеть при недостатке горячих резервов.

В странах с развитой экономикой существует тенденция воспринимать электроэнергию, как нечто, само собой разумеющееся. По этому представлению был нанесен серьезный удар в 2003 году, когда целая серия обширных отключений привлекла внимание к уязвимости инфраструктуры энергоснабжения. Это привело к пониманию необходимости замены или обновления устаревшего оборудования, причем в крупных масштабах и в короткие сроки.

Нечто аналогичное произошло и в Китае. Три четверти производимой в Китае электроэнергии потребляется предприятиями легкой и тяжелой промышленности. Когда летом 2004 года произошла серия отключений, примерно 6400 промышленных предприятий в одном только Пекине были остановлены на
неделю и затем в течение лета работали поочередно по установленному графику, чтобы предотвратить пиковые нагрузки. Если инвестиции в инфраструктуру энергоснабжения отстанут от растущих потребностей, отключения и циклические провалы напряжения окажут значительное и разрушающее воздействие на экономику страны.

Одиннадцатый китайский пятилетний план нацелен на повышение объемов производства электроэнергии на 570 ГВт к 2010 году. Это эквивалентно приросту примерно на восемь процентов в год и потребует ежегодных инвестиций от 20 до 30 миллиардов долларов. Однако, по всей видимости, строительство новых электростанций не решит всех энергетических проблем Китая. Не менее важным является строительство линий передач для доставки энергии потребителям. По оценке Государственной электросетевой корпорации Китая, объем инвестиций на расширение и обновление электросети составит примерно 10 миллиардов долларов в год.

В некоторых странах предусмотрены штрафные санкции к электрическим компаниям, не способным удовлетворить существующие потребности. В Швеции электрическая компания должна выплатить домовладельцу примерно месячную стоимость электроэнергии за каждый день, когда домовладение находилось без электропитания. Это серьезный стимул для электрических компаний к повышению надежности электросетей.

В настоящее время многие электрические компании основной своей задачей считают повышение надежности. Влияние низкой надежности на общество в целом может быть весьма разрушительным. Убытки в виде издержек и потерянной прибыли в результате отключения электроэнергии 14 августа 2003 года в США оцениваются суммой от 7 до 10 миллиардов долларов. Причем это отключение, как и большинство других крупномасштабных отключений, было вызвано недостаточностью вложений в сети передачи и распределения электроэнергии, а также применением устаревших технологий и просто ошибками в управлении энергосистемой.

Одновременно с надежностью все больше внимания уделяется качеству поставляемой энергии. Некоторым отраслям, таким как нефтехимическая или полиграфическая промышленность, а также больницам и другим критическим потребителям необходимо электропитание высокого качества. Согласно исследованиям, проведенным Северным советом, убытки от провала напряжения (50 процентов, 200 мс) составляют в среднем примерно 4,5 доллара на каждый кВт установленной мощности. Потребность в качественной электроэнергии особенно высока в странах с развитой экономикой, с обширной информационной и коммуникационной инфраструктурой, но в ближайшие десятилетия превратится, скорее всего, в глобальную проблему.
Усилия, направленные на снижение энергопотерь, стимулируются также факторами, связанными с охраной окружающей среды.

В среднем системы передачи и распределения электроэнергии теряют от 6 до 7 процентов передаваемой энергии. Причем примерно 70 процентов этих потерь приходится на распределительные системы, которые более разветвлены, чем системы передачи, и работают с более низкими напряжениями (потери в линиях обратно пропорциональны квадрату напряжения, т. е. увеличение напряжения вдвое снижает потери в четыре раза). Потери электроэнергии в развивающихся странах оцениваются в 30 процентов, хотя здесь важно различать технические и коммерческие потери (последние учесть невозможно, и вызваны они, как правило, нелегальными подключениями).

Технические потери редко превышают 20 процентов. Такие технологии, как высококачественные трансформаторы и компенсаторы реактивной мощности, могут снизить их до 5-7 процентов. Высокий уровень коммерческих потерь может оказывать разрушительное воздействие на системных операторов: если они не смогут собрать полученную прибыль, они не смогут накопить достаточно средств для инвестиций.

Причем к снижению затрат стремятся не только электрические компании. Экономия электроэнергии оказывает непосредственное влияние на работу промышленных предприятий, коммерческих компаний и коммунального сектора. Это порождает спрос на экономичное электрооборудование, такое как двигатели, приводы и бытовые приборы.

Естественно, что рыночная стоимость новых сетей и их компонентов должна быть по возможности минимальной. По мере роста стоимости исходных материалов, таких как медь, все чаще наблюдается их замена более дешевыми альтернативными материалами. Аналогичным образом сильным экономическим стимулом является замена опасных материалов и стремление избежать штрафов и налогов за чрезмерный выброс парниковых газов.

Экономия электроэнергии оказывает непосредственное влияние на работу промышленных предприятий, коммерческих компаний и коммунального сектора.

Технологические стимулы

Многие новые технологии, особенно те, которые используются в информационных и коммуникационных устройствах и системах, потребляют существенные объемы электроэнергии. Растущее число новых бытовых приборов и повышение мощности домашних компьютеров также приводит к повышению расхода электроэнергии. В Германии предполагаемый рост энергопотребления информационных и коммуникационных устройств достигнет примерно 4 процентов в год и составит около 11 процентов от общего энергопотребления страны в 2010 году.

Новые технологии для промышленных и коммерческих приложений, такие как встроенные системы обогрева и охлаждения в зданиях, улучшенные типы аккумуляторов для гибридных автомобилей, и широкое распространение скоростных поездов повысят спрос на качественную электроэнергию. Технологический прогресс в области ветровых установок изменит структуру потоков энергии в электросетях, аналогичный эффект окажут новые типы генераторов на низковольтной стороне и крупные ветровые электростанции.

Развитие технологий статической компенсации реактивной мощности и накопления энергии позволит подключать к существующим сетям новые источники электроэнергии. Новые типы аккумуляторов, более компактные, нежели традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы, уже оказали заметное воздействие. Например, аккумулятор мощностью 40 МВт в городе Фэрбенкс на Аляске обеспечивает резервное питание до 7 минут для 80 000 человек [2]; а новая компактная литий-ионная батарея повышенной емкости и надежности успешно эксплуатируется в пробной установке в Швеции. Впрочем, такие установки составляют исключение и пока не получили широкого распространения. В качестве других способов сохранения энергии путем преобразования ее в другую форму используются маховики, сжатый воздух, гидроэлектростанции с накачкой.

Еще один способ сохранения энергии заключается в применении водорода. Электроэнергия подается на электролизную установку, которая разлагает воду на составные части — водород и кислород. Затем водород можно сохранить и, когда понадобится, преобразовать в электроэнергию с помощью топливных элементов.

Общий КПД такого метода сохранения энергии пока не превышает 25 процентов. Так что вопрос замены передачи электроэнергии транспортировкой водорода остается открытым. Быстрого развития этой технологии в течение нескольких десятилетий не ожидается.

Для повышения пропускной способности электросетей давно используются фазосдвигающие трансформаторы и продольные компенсаторы. Силовые электронные устройства позволяют управлять электросетями, а новые гибкие системы передачи переменного тока (FACTS) повышают управляемость [3]. Новые концепции, подобные унифицированному контроллеру энергетических потоков (UPFC) и трансформатору переменной частоты (VFT), еще должны завоевать доверие потребителей. Системы мониторинга, подобные фазорным измерительным приборам, постепенно внедряются в сети передачи электроэнергии и, если получат широкое распространение, смогут улучшить характеристики системы в предельных режимах [4].

Также новые технологии должны упростить техническое обслуживание. Переход с масляной изоляции на сухую и от пружинных приводов к электрическим в автоматических выключателях является примером внедрения информационных технологий в процессы технического обслуживания. Онлайновый анализ первичного оборудования, такого как трансформаторы, облегчается за счет применения специальных программ, которые позволяют оценивать состояние оборудования в реальном масштабе времени. Имеется также и постоянно совершенствуется программа оценки риска для профилактического обслуживания критических компонентов сети [5].

Все шире распространяются технологии, экономящие энергию или повышающие КПД [6]. Силовые полупроводниковые приборы с высоким КПД снижают потери в электросетях, новые методы обработки материалов, подобные лазерной резке пластин трансформаторов, и улучшенные свойства самих материалов могут привести к дополнительному повышению эффективности.

Традиционные лампы накаливания заменяются электролюминесцентными лампами, а с недавнего времени — светодиодами. Кроме того, постоянное снижение потерь электроэнергии достигается за счет применения более совершенных двигателей и регулируемых приводов на силовых электронных устройств.

Другой способ снижения потерь в электросетях заключается в применении сверхпроводящих материалов. Исследовательские лаборатории добились определенных успехов в этом направлении и сейчас уже имеется несколько типов сверхпроводящих материалов, среди которых самым новым является ди-борид магния. Однако перед реальным внедрением сверхпроводящих материалов необходимо решить проблемы эффективного охлаждения и стыковки с существующими системам напряжением 400 кВ (стыковку низковольтных систем с большим током с высоковольтными системами с малым током).

Компактные автоматические выключатели и коммутационное оборудование с газовой изоляцией занимают меньше места и позволяют устанавливать подстанции внутри помещений, что очень важно в условиях городской застройки, особенно в крупных городах, где место сильно ограничено и дорого стоит [7]. Замена маслобумажной изоляции изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) позволила вдвое увеличить допустимую длину кабелей переменного тока и сделала экономически выгодной прокладку длинных подземных высоковольтных линий постоянного тока (HVDC) [8].

Новая технология HVDC в три раза снижает занимаемое место по сравнению с существующими технологиями HVDC [9]. Это особенно важно в ситуациях, где критическим условием является свободное пространство. В некоторых случаях расположение электрооборудования определяется уровнем создаваемых шумов. За последние 20 лет новые технологии позволили снизить уровень шума реакторов поперечной компенсации на 15 дБ.
Технический прогресс в области создания новых материалов позволил улучшить эксплуатационные характеристики оборудования. На смену маслу и другим жидким изоляционным материалам пришли сухие материалы, такие как сшитый полиэтилен. Они снижают риск возгорания и позволяют размещать оборудование более компактно. На смену стандартной эпоксидной смоле, широко применявшейся в качестве изоляционного материала, пришли современные термопластмассы, повысившие гибкость производства.

Информационные технологии открыли новые способы продажи электроэнергии. Электрические компании оборудуют дома счетчиками, измеряющими почасовое потребление, так что не за горами уже почасовая тарификация, позволяющая покупать более дешевую, экологически чистую или местную электроэнергию. Исследования, проводимые в области «умных» или «самовосстанавливающихся» сетей, повышающих надежность доставки электроэнергии, также стали возможны благодаря успехам информационных и коммуникационных технологий.

Готовность к будущим задачам

Лидируя на рынке во всех перечисленных выше областях, компания АББ занимает очень выгодное положение для внедрения самых передовых технологий в тех местах планеты, где в них ощущается максимальная потребность. Локальное присутствие АББ на всех рынках дает ее заказчикам серьезное преимущество быстрого и целенаправленного обслуживания. АББ тесно сотрудничает со своими заказчиками, стараясь найти наилучшие решения в соответствии с местными потребностями и создать системы, эффективно работающие в любых условиях.

Бернард Юкер, Петер Леупп, Том Сьоквист

ABB Power Products, ABB Power Systems, ABB Automation Products

Журнал “Оперативное управление” 2009 год. №2

 

ЛИТЕРАТУРА

[1]    ABB Review Special Report, Motors and Drives (2004), 1-64.

[2]    ДеВриес Т., Макдональд Д., Умбрихт Н., Линхофер Г. «Холодный» запас. АББ Ревю 1/2004, с. 38-43.

[3]    Грюнбаум Р., Петерсон Э., Торвальдссон Б. FACTS. АББ Ревю 3/2002, с. 11-18.

[4]    Корба П., Шольц Э., Лейрбукт А., Ухлен К. Объединяя силы в борьбе за устойчивость. АББ Ревю 3/2007, с. 34-38.

[5]    Эклунд Л., Лорен П., Кестингер П., Верле П., Хольмгрен Б. Преобразование на месте. АББ Ревю 4/2007, с. 45-48.

[6]    Энергоэффективность. АББ Ревю 2/2007, с. 1-92.

[7]    Фрай К., Киррманн Г., Костич Т., Маеда Т., Обрист М. Скорость и качество. АББ Ревю 4/2007, с. 38-41.

[8]    Равемарк Д., Нормарк Б. Легкие и невидимые. АББ Ревю 4/2005, с. 25-29.

[9]    Нестли Т.Ф., Стендиус Л., Дж. Йохансон М., Абрахам-сон А., Кьяер Ф.С. Снабжение электроэнергией газодобывающей платформы Troll по новой технологии. АББ Ревю 2/2003, с. 15-19.