Алексей ЕФИМОВ
Главный эксперт отдела главного инженера, АО «Прорыв»
E-mail: eaol@pnproryv.ru
Александр МАКСИМОВ
Начальник отдела главного инженера,
АО «Прорыв», к. ф.-м. н.
E-mail: mayu@proryv2020.ru
Роман ФРОЛОВ
Руководитель направления, ООО «РЭНЕРА»
Дмитрий ЛЕБЕДЕВ
Руководитель проекта, ООО «РЭНЕРА»
В последние десятилетия в составе и структуре электроэнергетических систем (энергосистем) происходят существенные качественные изменения. Прежде всего это связано со значительной и неуклонно возрастающей долей генерации с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и развитием распределённой генерации. Учитывая стохастический характер ВИЭ-генерации, её полную зависимость от погодных условий, а также в связи с нестабильным характером потребления электроэнергии в разрезе суток для гарантированного обеспечения баланса мощности необходим соответствующий объём резервной мощности, который в настоящее время реализуется в основном за счёт традиционной генерации. Отечественная практика прежних многолетних периодов генерации энергии на атомных электростанциях (АЭС) в традиционном базовом режиме в современных условиях постепенно пересматривается, а проекты новейших российских АЭС предусматривают нестационарные режимы электрогенерации как в периоды суточных колебаний мощности, так и при регулировании частоты энергосистемы. Отсутствие требований к АЭС о необходимости работы в режимах с изменением генерируемой мощности в современной практике присуще только энергоблокам АЭС, сооруженным по устаревшим проектам (РБМК, БН‑600).
Радикально проблема может быть решена при помощи широкого внедрения буферных систем накопления электрической энергии (СНЭЭ), интенсивно развивающихся в последнее время. Как отмечено в [1, 9], функциональность СНЭЭ является предпосылкой изменений, повышающих надёжность и эффективность энергосистем. Применение СНЭЭ также открывает возможности улучшения экономических показателей их функционирования.
Система накопления электрической энергии (СНЭЭ) представляет собой комплекс оборудования, способный извлекать электрическую энергию из энергосистемы, хранить ее и отдавать обратно. В зависимости от формы хранения энергии, СНЭЭ разделяют на виды [9]:
– электрохимические (аккумуляторные батареи различных типов, проточные батареи);
– электрические (суперконденсаторы, сверхпроводящие индуктивные накопители);
– механические (маховики, гравитационные накопители, накопители энергии, использующие сжатые газы, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС));
– тепловые (тепловые накопители);
– химические (водородные).
В настоящее время наибольшее распространение получили СНЭЭ на основе литиевых аккумуляторных батарей и суперконденсаторов, проточных батарей (редокс-накопителей), ГАЭС, маховиков и накопителей энергии, использующих сжатые газы.
СНЭЭ являются одним из самых быстрорастущих секторов электроэнергетики: за период с 2008 по 2019 гг. введенная мощность выросла в 48 раз, среднегодовые темпы роста составили 47% (см. рис. 1) [2].
Источник: [2]
По оценке [3] к 2030 г. мировая суммарная мощность и энергоемкость СНЭЭ составит 411 ГВт и 1194 ГВт·ч соответственно, что в 45 раз по мощности и в 70 раз по энергоёмкости больше, чем на начало 2019 г. – 9 ГВт и 17 ГВт·ч (рис. 2).
Рост интереса к тематике СНЭЭ в отечественной научно-технической среде начался в конце 1960‑х гг., что соответствовало аналогичным процессам в мировом сообществе. Однако экономическая ситуация в стране в конце XX века не способствовала развитию этого направления энергетики. Из крупных проектов необходимо отметить строительство на территории РФ Кубанской и Загорской ГАЭС.
За последние десятилетия ряд технологий накопления электрической энергии достиг уровня практического применения. Одновременно с этим значительно снизилась стоимость основных компонентов (аккумуляторов, силовых преобразователей), что, в свою очередь, повысило рентабельность проектов с применением СНЭЭ. Потенциально высокие экономические показатели, а также стремительно растущая популярность электромобилей резко увеличили интерес к тематике СНЭЭ, в том числе в России.
Увеличение спроса на СНЭЭ привело к появлению новых компаний, выводящих продукцию на рынок, что стимулирует конкуренции в форме совершенствования технологий, оптимизации производства, улучшению технических показателей.
В настоящее время в России идет процесс формирования нормативно-технической и нормативно-правовой базы, регламентирующей процессы разработки, производства и применения СНЭЭ.
В энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 г. [4] оборудование и технологии для СНЭЭ, в том числе аккумуляторные батареи, топливные элементы, входит в перечень технологического оборудования, востребованного организациями топливно-энергетического комплекса Российской Федерации, создание или локализация производства которого необходимы на территории РФ до 2035 г.
Согласно исследованию [5], мировая средняя стоимость литий-ионного аккумулятора за период с 2010 по 2020 гг. снизилась на порядок (см. рис. 3).
Энергоемкие доступные аккумуляторные батареи имеют важное значение для постепенного отказа мировой экономики от ископаемого топлива. До недавнего времени этот процесс не мог осуществляться без существенных государственных субсидий и специальных «зелёных» тарифов.
По оценкам мировых аналитических исследований, к 2024 г. цены на аккумуляторные батареи снизятся до 100 долл. за кВт·ч [6].
Аналогичны прогнозы динамики изменения стоимостей комплексов СНЭЭ. Увеличивающаяся популярность, единичные мощности, расширение номенклатуры и появление конкурирующих производителей неизбежно должны привести к снижению удельной стоимости производства таких систем. Это относится как к накопительной части системы, так и к преобразующей (инверторной).
Энергия аккумулируется в СНЭЭ разного типа с разной эффективностью. Рациональность применения каждого типа СНЭЭ определяется спецификой задач. На рис. 4 представлено распределение различных технологий накопления электрической энергии по мощности и энергоемкости.
Атомная энергетика – это отрасль, которая балансирует на грани использования консервативных, проверенных временем технических решений, с одной стороны, и концептуально новых и прогрессивных достижений науки и техники, с другой.
Для отечественной атомной отрасли практически неизменными являются подходы к проектированию и сооружению систем аварийного электроснабжения (САЭ). Как правило, это свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (СКАБ) в качестве источника постоянного тока, и дизель-генераторные установки (ДГУ) в качестве источника переменного тока.
В настоящий момент, в качестве альтернативы используемым в составе систем надёжного (аварийного) электроснабжения АЭС – ДГУ, можно рассмотреть технологию накопления энергии в литий-ионных аккумуляторах (ЛИА), укомплектованных автоматизированными системами заряда и поддержания состояния АБ, контроля и управления.
К достоинствам таких накопителей энергии можно отнести хорошую масштабируемость энергоемкости, высокие показатели надёжности (референтность в общей мировой промышленности), высокую скорость реакции на возникнувшую потребность в запасённой энергии, хорошие удельные характеристики, приемлемый ресурс и постоянно снижающаяся цена. Кроме того, систему с необходимой энергоемкостью можно скомплектовать из модулей-контейнеров заводского (транспортного) исполнения и, тем самым, отказаться от капитального возведения зданий ДГУ.
К недостаткам ЛИА-накопителей энергии можно отнести малые емкости единичного аккумулятора, что приводит к необходимости собирать батареи из большого количества элементов, и, следовательно, к увеличению общей площади застройки. При этом возрастает доля неосновных подсистем, как в стоимости, так и массогабаритных показателях всего изделия. С другой стороны, большое количество параллельных модулей СНЭЭ повышает надёжность системы в целом. На рис. 5 приведено масштабное сравнение занимаемой площади здания ДГУ (без учета емкостей запаса топлива) и поля из модулей СНЭЭ, реализованного в форм-факторе 40‑футовых морских контейнеров (см. рис. 6) в одноярусном исполнении для источника переменного тока электрической мощностью 1 МВт и ёмкостью 72 МВт·ч.
и альтернативная СНЭЭ в контейнерном исполнении (справа)
С учетом вышеизложенного необходимо констатировать текущую нецелесообразность замены ДГУ на ЛИАБ из-за существенного роста размеров зданий и сооружений АЭС, а также занимаемой площади. Предварительные проработки в части оценки стоимости альтернативы ДГУ в виде СНЭЭ аналогичных параметров, обеспечивающей надежным электроснабжением энергоблок в течение не менее 72 часов, показывают десятикратное увеличение капитальных затрат. Это также отрицательно сказывается на принятие решения о применении новой технологии в САЭ АЭС.
В отношении замены СКАБ на СНЭЭ на базе ЛИАБ, наоборот, аналитические исследования [6] показывают абсолютное преимущество над традиционными решениями как со стороны экономической целесообразности (капитальные и эксплуатационные затраты), так и с точки зрения сокращения размеров помещений аккумуляторного хозяйства. Кроме того, при отказе от традиционных решений на основе СКАБ исключается проблема обеспечения водородной взрывопожаробезопасности.
В качестве еще одного направления применения СНЭЭ может рассматриваться расширение функциональных возможностей проектов АЭС в части оказания услуг по обеспечению системной надежности энергосистем.
Системная надежность – способность электроэнергетической системы (ЭЭС) выполнять функции по производству, передаче, распределению электроэнергии и электроснабжению потребителей в требуемом количестве и нормируемого качества путем технологического взаимодействия системного оператора Единой энергетической системы (СО ЕЭС), генерирующих установок, магистральных электрических сетей, центров питания электрических сетей региональных электросетевых компаний и крупных потребителей [11].
В частности, под системной надежностью понимается способность удовлетворять в любой момент времени общий спрос на электроэнергию в соответствии с техническими условиями поставки в отношении качественных и количественных показателей надежности и качества поставляемой электроэнергии (мощности).
Одним из основных общесистемных и критически важных параметров является частота электрического тока. Частота оказывает влияние на режимы работы энергетического оборудования электростанций (вибрации, износ турбин и т. д.); нагрузку (на изменение производительности); возможность возникновения развивающихся аварийных процессов, таких, как «лавины частоты»; параметры схемы, например, изменение величин индуктивных и емкостных сопротивлений.
Частота в энергосистеме регулируется путем воздействия на генерируемые активные мощности электростанций и/или потребляемые активные мощности (в нормальных режимах это ценозависимое потребление или регулирование спроса, в аварийных режимах – отключение части нагрузки).
Регулирование частоты и перетоков мощности осуществляется непрерывно с использованием первичного общего и первичного нормированного, вторичного и третичного регулирования.
Требования к допустимым отклонениям частоты для первой и второй синхронных зон, настройки «мертвых зон» регуляторов, области недопустимых отклонений частот и действия противоаварийной автоматики представлены на рис. 7.
Из рисунка можно видеть, что требования к допустимым отклонениям частот и требования к настройкам систем, регулирующим частоту в энергосистеме (пороги начала работы – «мертвые зоны»), разные, но согласованы между собой общей иерархической концепцией регулирования.
В современной практике энергоблоки АЭС, сооруженные по проектам поколения «3+» [7] и участвующие в регулировании частоты сети, обязаны постоянно нести нагрузку на сниженном уровне мощности (2–5%) из-за требования постоянного наличия «горячего резерва» для мгновенного подъема или сброса в установленном диапазоне в случае отклонения частоты за пределы «зоны нечувствительности». В данном случае возникает несколько негативных факторов как с экономической точки зрения: энергоблок постоянно работает недогруженным, т. е. с пониженным КИУМ, так и с технологической точки зрения: для крупногабаритного энергетического оборудования нежелательна продолжительная работа на отличающихся от номинального уровнях мощности. Также повышенные значения циклических нагрузок резко отрицательно сказываются на ресурсе и надежности работы такого оборудования.
В качестве решения описанной задачи была рассмотрена схема работы энергоблока в комплексе с СНЭЭ определенных параметров, обеспечивающих первичное регулирование частоты (ПРЧ). Иными словами, рассмотрен принцип, аналогичный принципу параллельного гибрида из автомобильной промышленности. Основными преимуществами выбранной схемы являются:
– постоянная стационарная работа энергоблока на номинальном уровне мощности (максимальный КИУМ);
– стационарная работа крупного энергетического оборудования без скачков технологических параметров (максимальный коэффициент готовности);
– участие энергоблока в ПРЧ (выполнение нормативных требований и оплата за участие в ПРЧ);
– повышение стабильности и надежности ЕЭС за счёт быстродействия и точности СНЭЭ при запросе от системного оператора.
При экономической оценке целесообразности реализации подобной схемы в разрезе проектного срока службы современных АЭС, а также ресурса и потребности периодического обновления ЛИАБ, показана экономическая целесообразность такого решения. В относительных величинах чистый дисконтированный доход при ставке дисконтирования от 0 до 8% может достигать от 36 до 1,6% соответственно от стоимости капитальных затрат на сооружение 1 энергоблока с реактором на быстрых нейтронах (РБН). Пример графика доходности представлен на рис. 8.
(при ставке дисконтирования 5%)
Таким образом, рассмотрение на базе актуальных стоимостных и технологических характеристик показало, что:
– себестоимость СНЭЭ на базе ЛИАБ имеет тенденцию к постоянному снижению, что делает доступными решения крупномасштабных энергетических задач;
– параметры литий-ионных аккумуляторных батарей постоянно совершенствуются, плотность хранения энергии повышается, что позволяет реализовывать компактные, гибкие и мощные энергетические решения;
– доступность литий-ионных технологий позволяет реализовывать самые амбициозные проекты благодаря развитию и увеличению конкуренции среди поставщиков систем, в т. ч. отечественных.
Необходимо отметить, что, как и любая новая технология, применяемая на АЭС, СНЭЭ на базе ЛИАБ столкнутся с рядом трудностей разрешительного характера. Прямого запрета в нормах и правилах федерального уровня на использование ЛИАБ в структуре САЭ АЭС не существует. В России идет процесс формирования нормативно-технической и нормативно-правовой базы, регламентирующей процессы разработки, производства и внедрения СНЭЭ на объектах энергетики. В настоящее время техническое регулирование СНЭЭ в РФ осуществляется национальными стандартами. Кроме того, в законодательстве РФ были внесены изменения, согласно которым СНЭЭ могут участвовать в услугах по нормированному первичному регулированию частоты, услугах по автоматическому вторичному регулированию частоты и перетоков активной мощности, а также услугах по управлению спросом на электрическую энергию. Работа СНЭЭ как элемента энергосистемы может регламентироваться в двух аспектах – организационно-правовом и техническом. К регламентирующим документам относятся нормативные правовые акты (НПА) и документы по стандартизации. К первым относятся федеральные законы, постановления Правительства Российской Федерации и приказы федеральных органов исполнительной власти с утвержденными актами правилами, указаниями и др. Ко вторым относятся межгосударственные и национальные стандарты (ГОСТ, ГОСТ Р), предварительные национальные стандарты (ПНСТ), стандарты организаций и другие документы, предусмотренные [12].
Источник: estorsys.ru
Следует отметить, что развитие отрасли СНЭЭ является предметом внимания со стороны государства, что нашло свое отражение в соответствующих документах стратегического планирования. Так, оборудование и технологии для СНЭЭ включены в перечень технологического оборудования, востребованного организациями топливно-энергетического комплекса Российской Федерации, создание или локализация производства которого необходимы на территории Российской Федерации до 2035 г. [13], в План мероприятий по импортозамещению в отрасли энергетического машиностроения, электротехнической и кабельной промышленности Российской Федерации [14]. Кроме того, на уровне Правительства РФ и федеральных органов исполнительной власти были утверждены План мероприятий развития отрасли систем накопления энергии в Российской Федерации на период до 2030 г. [15], а также Перспективная программа стандартизации по приоритетному направлению «Системы накопления энергии» на период 2022–2026 гг. [16].
Поскольку любая новая технология, внедряемая на АЭС, должна быть апробирована [17], то, кроме анализа экономической эффективности, безусловно необходимы дальнейшие исследования безопасности применения СНЭЭ на базе ЛИАБ в системах АЭС, в том числе в свете примеров возникновения пожаров на транспорте с использованием ЛИАБ [10].
Выводы
Технологии СНЭЭ развиваются и имеют перспективы для применения, в том числе в атомной отрасли, использующей, как правило, проверенные, референтные решения. Замещение свинцово-кислотных АБ в системах САЭ АЭС при настоящем уровне развития мировой отрасли ЛИАБ выгодно с точки зрения, как экономики, так и компоновки. Применение СНЭЭ положительно влияет на стабильность и надежность энергосистем и экономически эффективно применительно к АЭС.
Отечественные решения ЛИАБ общепромышленного назначения уже применяются в системах оперативного постоянного тока на электрических подстанциях. В то же время, отсутствуют отечественные опыт и методики проектирования СНЭЭ больших энергоемкости и мощности (более ~100 МВт·ч и ~10 МВт соответственно), а также существует ряд нормативных пробелов для использования ЛИАБ на АЭС.
