Анализ эффективности применения накопителей энергии в различных типах электроэнергетических систем

Валентин ДЗЕДИК
Первый проректор, д. э. н., профессор кафедры прикладной информатики и математических методов в экономике, ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет»
Е-mail: nrprorector@volsu.ru

Ирина УСАЧЕВА
Доцент кафедры прикладной информатики
и математических методов в экономике,
к. э. н., ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет»
Е-mail: zeppelin89@volsu.ru

Анастасия МОТКОВА
Ассистент кафедры прикладной информатики
и математических методов в экономике, ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет»
Е-mail: 324250@volsu.ru

В современных реалиях для всех потребителей и производителей электроэнергии вопрос об эффективности использования электроэнергетических систем, становится популярной фабулой исследования. Актуализация рассматриваемого вопроса обуславливается повышением спроса на потребление электроэнергии в различных типах электроэнергетических систем.
Рис. 1 иллюстрирует стабильный рост фактического расхода электроэнергии на единицу отдельных видов произведенной продукции и услуг в РФ за 2017–2021 гг. В 2021 г. данный показатель в целом вырос на 17 % в сравнении с 2020 г. и на 36 % в сравнении с 2017 г. При этом видно изменение структуры отпуска электроэнергии. Так, в 2017 г. наибольшую долю (46 %) составляла электроэнергия, отпущенная блок-станциями ТЭЦ, а в 2021 г. ее доля снизилась до 34,7 %, что обусловлено ростом использования дизельных электростанций (их доля в общем отпуске выросла с 6,5 % в 2017 г. до 22,5 % в 2021 г.).

Большинство организаций, как коммерческой, так и промышленной направленности, применяют в своей инфраструктуре многофункциональные технологии, априори влияющие на качество производства и передачи электроэнергии. Из-за масштабного применения электроэнергии в жизнедеятельности предприятий, количество которых с каждым годом возрастает, а нагрузка потребления увеличивается, происходит снижение качества передачи энергии и возникновение перебоев в работе и сети. В связи с этим, возникает необходимость рационализации использования энергоресурсов в различных типах электроэнергетических систем (ЭЭС) [1, с. 165]. Основной задачей ЭЭС является стабильное обеспечение энергоснабжения при едином регулировании процессов производства, передачи и распределения электроэнергии. Другими словами, ЭЭС отвечает за обеспечение централизованной передачи электроэнергии для использования на предприятиях. Поэтому, для того чтобы электроэнергия расходовалась пропорционально, без внеплановых потерь и нагрузок, разрабатываются и применяются разнообразные способы повышения эффективности использования электроэнергии. Одним из решений данной проблемы является применение систем накопления электроэнергии (СНЭ).
СНЭ представляют собой комплексное, интегрированное решение по накоплению электрической энергии, ее преобразованию и дальнейшему использованию [3, с. 148]. Принцип работы накопителей энергии в различных типах электроэнергетических систем заключается в следующем: в момент снижения нагрузки на сеть – накопитель заряжается, то есть, накапливает энергию в резервы; а, в момент максимальной нагрузки, наоборот, отдает зарезервированную энергию из накопителя.
Сейчас использование систем накопления электрической энергии набирает все большую популярность в работе промышленных предприятий [8]. Ведь именно промышленные организации являются самыми крупными потребителями топливно-­энергетических ресурсов, а повышение энергоэффективности – является приоритетным фактором снижения производственных затрат, который положительно отражается на прибыли компаний-­производителей [2, с. 15]. Соответственно, активное использование на предприятиях накопителей энергии, выявляет следующий ряд достоинств:

• уменьшение потерь электроэнергии;
• возможность экономии;
• рационализация использования электроэнергии;
• снижение потерь и прерываний, в период максимальной нагрузки.

В качестве доказательства результативности применения накопителей энергии был проведен анализ:

1. Долей электрической энергии, производимой с использованием возобновляемых источников энергии, в общем объеме производства электрической энергии в РФ.
2. Классификаций накопителей энергии с оценкой КПД по коэффициенту полезного действия.
3. Динамики ввода в эксплуатацию СНЭ, а также структуры их целевого использования.

и, производимой с использованием возобновляемых источников энергии в Российской Федерации, представлена на рис. 2 [4].

Доля электрической энергии, производимой с использованием возобновляемых источников энергии, в общем объеме производства электрической энергии с 2017 г. стабильно увеличивалась. Наибольший рост был в 2020 г., что обусловлено активным использованием альтернативных источников электроэнергии потребителями в период самоизоляции (пандемии).

Классификация накопителей энергии

Существуют три основные функциональные категории накопителей энергии [5, с. 30]:

1. Крупномасштабные накопители.
2. Быстроразряжаемые накопители.
3. Системы накопления на базе аккумуляторов.

В настоящий момент времени уже разработано большое количество способов и методов накопления энергии. Между собой они разделяются на несколько групп, которые, в свою очередь, подразделяются на подгруппы (см. таблицу 1).

По результатам таблицы можно сделать вывод о том, что в среднем КПД любого отдельно взятого накопителя в группах имеет положительный показатель = 86,7 %. Это говорит о целесообразности внедрения и высокой эффективности использования накопителей энергии на предприятиях.

Динамика ввода в эксплуатацию СНЭ и структура их целевого использования

В настоящее время, СНЭ являются одним из самых быстрорастущих и популяризованных секторов электроэнергетики в мире. За 10 лет данный сектор вырос в 48 раз, среднегодовые темпы роста к 2019 г. составили 47 % (рис. 3) [6]. В России эксплуатация СНЭ в большей степени осуществляется на трех крупных ГАЭС: Загорская ГАЭС‑1 (1,2 ГВт), Кубанская ГАЭС (15,9 ГВт) и Зеленчукская ГЭС-ГАЭС (320 ГВт). Также существует ряд проектов на стадии реализации [10–11].

Ранее было указано, что одним из достоинств применения накопителей энергии является регулирование частоты и уменьшение пиковой нагрузки потребления электроэнергии. Структура целевого использования СНЭ графически представлена на рис. 4.

Согласно рис. 4 одними из главных показателей целевого использования СНЭ являются: регулирование частоты – 55 %, смещение графика нагрузки = 13 % и снижение счета потребителя – 12 %. В настоящее время, большинство проектов, направленные на внедрение и использование на предприятиях накопителей энергии, охватывают достижение представленных выше показателей. Так, например, существуют проекты СНЭ [9], функционал которых направлен на применение:

• интеграции ВИЭ в энергосистему;
• обеспечения устойчивой работы ГПУ;
• изменения графика энергопотребления для снижения расходов на электроэнергию;
• срезания пиковой мощности для исключения необходимости сетевого строительства;
• обеспечения бесперебойного питания;
• повышение динамической устойчивости.

Основываясь на результатах проведенного анализа, можно сделать следующие выводы:

1. Накопители энергии – это актуальный, а главное, действительно, рациональный проект, направленный на регулирование и рационализацию использования электроэнергии на предприятиях. Благодаря анализу КПД накопителей подтвержден положительный опыт применения СНЭ.
2. С каждым годом накопители энергии обретают все большую популярность, на что указывает динамика долей использования электроэнергии, производимой с использованием возобновляемых источников энергии.
3. Структура использования накопителей энергии наглядно демонстрирует эффективность применения СНЭ. Существует баланс и рационализированные способы распределения электроэнергии без потерь и перебоев.

В заключении, стоит отметить, что накопители энергии, все еще развивающийся механизм в сегменте электроэнергетических систем, что говорит о возможных повышениях эффективности и усовершенствования применения накопителей. Благодаря статистике и динамике потребления энергии, а также КПД использования накопителей, можно сделать вывод о том, что накопители энергии сейчас – это актуальный способ рационализации работы систем энергоснабжения на предприятиях.