Потенциал ветроэлектростанций для изолированных районов Камчатки

Людмила НЕФЕДОВА
Старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии географического ф-та
МГУ имени М.В. Ломоносова, к. г. н.
e-mail: nefludmila@mail.ru

Софья КИСЕЛЕВА
Ведущий научный сотрудник,
зав. научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии географического ф-та
МГУ имени М.В. Ломоносова, к. ф.-м. н.
e-mail: k_sophia_v@mail.ru

Состояние энергообеспечения Камчатского края

Особенностью энергетики Камчатского края является изолированность от единой энергосистемы России, а также деление на большое количество не связанных друг с другом энергоузлов. По состоянию на 2021 год, на территории Камчатского края эксплуатировались две крупные тепловые электростанции – ТЭС 1 и ТЭС 2, общей мощностью 364 МВт, три ГеоЭС (Мутновская ГеоЭС, Верхне-­Мутновская ГеоЭС, Паужетская ГеоЭС) общей мощностью 74 МВт, четыре гидроэлектростанции (Толмачёвский каскад ГЭС и Быстринская ГЭС) общей мощностью 47,1 МВт, три ветровые электростанции общей мощностью 5,5 МВт, а также большое количество небольших дизельных электростанций (ДЭС), суммарной мощностью 160,8 МВт. Таким образом, общая установленная мощность энергообъектов Камчатского края составляла на 01.01.2021 г. 651,5 МВт. В 2020 г. энергообъектами Камчатского края было произведено 1970,1 млн кВт·ч электроэнергии, что обеспечило растущий спрос на электроэнергию потребителей (около 2,2 % в год), среди которых наиболее крупными являются население, Министерство обороны РФ и рыбоперерабатывающие предприятия [1].
Основной объем электроэнергии в 2015–2019 гг. вырабатывался на Камчатских ТЭЦ‑1 и ТЭЦ‑2 «Камчатскэнерго» (59–63 % от суммарной выработки электростанций Камчатского края) и на Мутновских ГеоЭС (25–28 %). Структура выработки электроэнергии в 2020 году представлена на рис. 1. Таким образом, на объектах возобновляемой энергетики было выработано в 2020 г. 30,8 % электроэнергии Камчатского края.

Рис. 1. Структура выработки электроэнергии в Камчатском крае в 2020 г. [1]


В составе энергосистемы Камчатского края действуют самый крупный центральный энергоузел и изолированные энергоузлы. Центральный энергоузел охватывает системой централизованного электроснабжения следующие городские округа: Петропавловск-­Камчатский, Вилючинский; муниципальные районы: Елизовский, Усть-­Большерецкий (п. Октябрьский, с. Апача, с. Кавалерово, с. Усть- Большерецк), Мильковский (с. Пущино, с. Шаромы, с. Мильково). Основной энергоснабжающей компанией центрального энергоузла является ПАО «Камчатскэнерго», в состав которой входят Камчатские ТЭЦ‑1, ТЭЦ‑2, резервные ДЭС, а также генерирующие компании: АО «Геотерм», эксплуатирующая Мутновские ГеоЭС, ПАО «КамГЭК», эксплуатирующая каскад Толмачевских ГЭС, АО «Камчатские электрические сети им. И. А. Пискунова», эксплуатирующие ВЭС и резервную ДЭС в п. Октябрьский. Суммарная установленная мощность электростанций центрального энергоузла Камчатского края в 2020 г. составила 491,1 МВт (более 75 % всех ЭС края). При этом в структуре установленной мощности центрального энергоузла ТЭЦ составляют 75,4 %, ГЭС – 9,4 %, ЭС на ВИЭ – 12,8 %, а дизельные ЭС – 2,4 %.
Изолированные энергоузлы действуют в следующих муниципальных районах: Мильковский, Усть-Большерецкий, Усть-­Камчатский, Быстринский, Соболевский, Карагинский, Олюторский, Пенжинский и Тигильский [1]. Структура установленной мощности по типам генерирующего оборудования в изолированных энергоузлах Камчатского края представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структура установленной мощности электростанций изолировфанных энергоузлов Камчатского края по типам генерирующего оборудования [2].

Кроме крупных энергоузлов в энергосистему Камчатского края входят энергоузлы в границах одного населенного пункта, суммарное потребление в которых не превышает 7,2 % от общего потребления электрической энергии по Камчатскому краю. Дизельные электростанции являются основным источником электроэнергии во всех изолированных энергоузлах Камчатского края. Всего эксплуатируется более 40 ДЭС общей мощностью 160,8 МВт, которые в 2020 году выработали 265,9 млн кВт·ч электроэнергии [1]. Кроме того, эксплуатируются три ветродизельных комплекса, имеющие следующие характеристики:
ВЭС в п. Усть-­Камчатск. Введена в эксплуатацию в 2013–2015 годах. Мощность – 1,175 МВт (ВЭУ Vergnet – 0,275 МВт, 3ВЭУ японской компании Komaihaltec – 0,3 МВт). Эксплуатируется АО «Южные электрические сети Камчатки» (входит в группу «РусГидро»). Работа ВЭС позволяет экономить около 550 т/год дизельного топлива;
ВЭС с. Никольское на о. Беринга (Алеутский район, Командорские острова), сооруженная ПАО «Передвижная энергетика». Введена в эксплуатацию в 2013 г. Мощность 1,050 МВт (2×250 кВт, 2×275 кВт). Эксплуатируется АО «Южные электрические сети Камчатки»;
ВЭС в п. Октябрьский, Усть-­Большерецкий район, функционирует в Центральном энергорайоне. Введена в эксплуатацию в 2008–2014 годах. Мощность – 3,3 МВт (1×0,3 МВт, 4×0,6 МВт). Эксплуатируется АО «КЭС им. И. А. Пискунова».
Значительное число изолированных энергоузлов требует более широкого привлечения ВИЭ для энергообеспечения как бытового, так и промышленного потребителя. По информации «РусГидро» к маю 2021 г. были заключены первые энергосервисные договоры по развитию на Камчатке локальной энергетики с использованием ВИЭ. Новые энергокомплексы запроектированы в п. Ключи (мощность ДЭС – 7 МВт, ВИЭ – 1,6 МВт), п. Козыревск (ДЭС – 1,68 МВт, ВИЭ – 0,5 МВт), с. Тиличики (ДЭС – 2 МВт, ВИЭ – 1,5 МВт) и п. Оссора (ДЭС – 3,8 МВт, ВИЭ – 1,8 МВт). Работы по строительству, монтажу и вводу в эксплуатацию энергетических комплексов планируется завершить в 2023 г. [3].
Ведется подготовка строительства второй очереди Мутновской ГеоЭС, имеющей в настоящее время мощность 50 МВт и выработку около 275 млн кВт·ч/год. ГеоЭС сможет заместить электроэнергию Камчатских ТЭЦ на 24,8 % и сэкономить 118,5 тыс. тонн условного топлива. Для увеличения выработки будут пробурены 4- километровые скважины на Мутновском месторождении парогидротерм. Планируется также ввести бинарный блок геотермальной электростанции мощностью 13 МВт, работающей на сбросном сепарате Мутновской ГеоЭС. Возможная степень замещения станцией выработки Камчатских ТЭЦ составит 4,6 %. Идёт строительство малой ГЭС‑4 на реке Толмачева мощностью 10 МВт с выработкой 55 млн кВт·ч/год. Ее доля в замещении выработки Камчатских ТЭЦ может составить 3,5 %, экономия топлива – 23,69 тыс. т у. т. [4].
Важную роль в энергообеспечении населенных пунктов Камчатского края имеют их удаленность от линий электропередач и надежность электроснабжения по ЛЭП. Изолированность региона от единой энергосистемы вызывает повышенную чувствительность к авариям различного характера. Для изучения этого вопроса была проведена с использованием ГИС-технологий [5] картографическая оценка ключевого свой­ства энергосистемы как сложного сетевого объекта – структурной уязвимости. На территории Камчатского края выделены участки с особо критичными для ЛЭП условиями льдообразования и ветрового режима: ДЭС Соболево – Устьевое и Манилы – ДЭС Каменское. Карты районирования по максимальной толщине стенки гололёда и скорости ветра, вероятной 1 раз в 25 лет, позволяют предварительно оценить вероятность аварий вследствие повышенной механической нагрузки на провода и опоры. Именно от их прочности зависит надёжное энергоснабжение конечных потребителей. Несмотря на то, что данная оценка качественная, она позволяет выявить территории, которые подвержены наибольшему риску длительного каскадного отключения электроснабжения.
При исследовании возможностей энергообеспечения Камчатского региона многие авторы акцентируют внимание на перспективах использования разных видов ВИЭ: ресурсов малой гидроэнергетики [5, 6], ветроэнергетических ресурсов и водородных технологий [7, 8]. В [8] разработан вариант энергокомплекса на основе ветрогенератора и дополнительных устройств (электролизеров, баков-­накопителей, водородных котлов, систем хранения водорода, водородно-­кислородных парогенераторов) для поселка Усть-­Камчатск. Результаты исследования демонстрируют принципиальную возможность реализации альтернативной схемы энергоснабжения без использования привозного топлива с выработкой водорода как энергоносителя и практически полным отсутствием токсичных продуктов горения. В [9] для различных вариантов энергосистем, включающих ветродизельный комплекс и накопители энергии, проводится анализ ветроэнергетических характеристик, обеспечивающих гарантированное энергоснабжение автономного потребителя с преобладанием ветрогенерации. Для аккумулирования выработанной на автономных установках ВИЭ электроэнергии с целями энергообеспечения потребителей прогнозируется также создание и привлечение новых типов накопителей энергии [10].

Материалы и методы

Целью проведения исследования был анализ ветровых ресурсов ряда регионов Камчатского края и потенциала ветроэнергетики для обеспечения электроэнергией населенных пунктов края с учетом режима потребления (нагрузки потребителя) в различные сезоны года. Расчеты почасовых значений выработки электроэнергии и коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) проводились для модельной установки Enercon E‑53 810 kW (высота башни Н = 50 м, диаметр ветроколеса D = 52,9 м) на основе почасовых значений за 10‑летний период (2011–2020 гг.) скорости ветра на высоте 50 м, представленных в открытой базе данных NASAPOWER [11]. Была использована авторская программа в среде Visual Studio. Рассматривались участки регулярной пространственной сетки с детализацией до 1° вблизи населенных пунктов Камчатского края, расположенных в изолированных энергоузлах. Для оценки потенциала энергообеспечения использовались графики нагрузки населенных пунктов Камчатского края.

Результаты и обсуждение

Для оценки эффективности использования ВЭУ были выполнены расчеты коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) – средние часовые, суточные, сезонные и годовые. Средние значения КИУМ за десятилетний период показали наиболее высокую эффективность ВЭУ для с. Никольское на о. Беринга (более 53 %), достаточно высокую эффективность в прибрежных районах п-ва Камчатка (на восточном побережье КИУМ ВЭУ более 30 %, на западном побережье – около 18–20 %) и малую эффективность для внутренних районов полуострова (с. Долиновка КИУМ менее 10 %) (таблица 1, рис. 3).

Таблица 1. Средние многолетние значения КИУМ (2011-2020 гг.). Модельная установка: Enercon E-53 810 kW
Рис. 3. Схема расположения объектов исследования – населенных пунктов
в изолированных энергоузлах Камчатского края

Результаты, полученные в рамках поставленной задачи, далее представлены на примере четырех населенных пунктов Камчатки с разной численностью населения и уровнем энергопотребления (таблица 2).

Таблица 2. Местоположение и энергопотребление населённых пунктов Камчатского края – объектов исследования

Суммарная мощность ВЭУ принималась равной максимальной мощности нагрузки для каждого поселка с учетом КИУМ ВЭУ. При таких предположениях получены оценки доли покрытия нагрузки за счет выработки электроэнергии на ВЭУ: определены периоды в течение года, когда ветровые условия позволяют достичь полное энергообеспечение за счет ветровых установок.
Внутригодовой ход среднемесячных значений КИУМ показывает сезонные закономерности: снижение в летний период года и повышение в зимний период. Так для с. Соболево КИУМ варьирует в течение года от 5 до 40 %, а для с. Манилы – от 10 до 75 % (рис. 4).

Рис. 4. Среднемесячные значения КИУМ за период 2011–2020 гг. ВЭУ в районах с. Соболево (А) и с. Манилы (Б)

Для всего расчетного периода были определены среднегодовые за десятилетний период доли покрытия нагрузки (рис. 5).

Рис. 5. Среднегодовые значения доли покрытия нагрузки за десятилетний период (2011–2020 гг.) для населенных пунктов Камчатского края

Видны вариации указанной характеристики, которые достигают до 30 % (абсолютных). Прослеживаются максимумы для 2013 г. и 2017 г., величина которых зависит от местоположения населенного пункта на полуострове. При этом сезонные доли покрытия нагрузки (при указанной выше мощности ВЭУ) показывают значительные колебания от более 1,5 в холодный период года (декабрь – март) до 0,2–0,3 в летний период (рис. 6).

Рис. 6. Среднемесячные значения доли покрытия нагрузки за период 2011–2020 гг. (с. Тигиль)

Расчеты суточных энергобалансов («производство минус потребление») в течение года позволяют определить периоды возможного полного энергообеспечения потребителя за счет работы ВЭУ и периоды, когда требуется дополнительное энергоснабжение за счет резервных энергомощностей (дизель-­генераторов). Для определения требуемой мощности дизель-­генераторов следует провести такого рода анализ на основе многолетних рядов данных о характеристиках ветра для каждой географической точки. Автономная работа ветроэнергетических комплексов для энергообеспечения в Камчатском крае требует аккумулирования энергии с привлечением суточного и сезонного аккумулирования. Для суточного аккумулирования могут быть применены накопители энергии различных типов [12]. Проблемы же сезонного аккумулирования, а также использование значительных избыточных объемов выработки электроэнергии на ВЭС могут быть рассмотрены, в том числе, с позиций организации производства «зеленого» водорода [13, 14].

Выводы

Энергосистема Камчатского края характеризуется заметным ростом энергопотребления, который обеспечивается как станциями в составе локальных энергоузлов, так и автономными дизельными генераторами и ветродизельными установками. Совместный анализ ветровых ресурсов и графиков нагрузки изолированных населенных пунктов позволяет определить потенциал ветроэнергоустановок для энергообеспечения автономных потребителей. Показано, что производительность и коэффициент использования установленной мощности модельных ВЭУ существенно варьируется в зависимости от их месторасположения, сезона и времени суток для территорий в пределах Камчатского края. При выбранном сценарии (суммарная мощность ВЭУ для каждого рассмотренного населенного пункта равна максимальной мощности нагрузки для каждого поселка с учетом КИУМ ВЭУ) в среднем за 10 лет достигается баланс потребления и производства энергии от ВЭУ. Однако внутригодовое и внутрисуточное распределение доли покрытия нагрузки позволяет выделить длительные периоды избытка или недостатка выработки электроэнергии от ВЭУ. Необходимое количество ВЭУ в составе систем энергообеспечения населенных пунктов определяется как ветровым режимом, так и графиком нагрузки и требует детального технико-­экономического обоснования с использованием полученных в данном исследовании результатов.