Владислав КАРАСЕВИЧ
Научный сотрудник НТЦ
автономной энергетики МФТИ, к. т. н.
Е-mail: karasevich.va@mipt.ru
Юрий ВАСИЛЬЕВ
Исполнительный директор НТЦ
автономной энергетики МФТИ
Е-mail: vasilev.uv@mipt.ru
Введение
Сахалинская область является одним из пионеров в России по построению низкоуглеродной экономики. В регионе с 2021 г. реализуется климатический эксперимент, направленный на ускоренное достижение регионом углеродной нейтральности.
Водородный полигон Восточного водородного кластера, созданный МФТИ совместно с администрацией Сахалинской области и партнерскими компаниями и организациями (такими как ПАО «РусГидро», ПАО «Росатом», МЧС, АФК «Система» и другими), был запущен в июле 2024 г. для отработки в полевых условиях технологий. В состав полигона входят базовый комплекс производства водорода из солнечной энергии в Южно-Сахалинске (на площадке СКБ САМИ) и 4 пилотных проекта, направленных на отработку практического применения водородных технологий:
испытательный стенд системы водородного электроснабжения энергоизолированного объекта связи на примере вышки сотовой связи в п. Огоньки;
испытательный стенд системы водородного электроснабжения энергоизолированного поселка на базе возобновляемых источников энергии и водородных систем хранения энергии на примере п. Новиково;
испытательный стенд оборудования систем жизнеобеспечения полевого лагеря МЧС на базе водородных технологий;
испытательный стенд оборудования экспериментального водородного автозаправочного комплекса в г. Южно-Сахалинск.
В данной статье основной акцент будет сделан на перспективы применения ВИЭ и водородных технологий на энергоизолированных объектах связи.
Вышки сотовой связи, их энергопотребление и энергоснабжение
К середине 2023 г. в России насчитывалось около 98,1 тыс. вышек сотовой связи (ВСС) [1], значительная их часть находится на изолированных территориях. В рамках федеральной программы устранения цифрового неравенства, предусматривающей появление мобильной связи и интернета в населённых пунктах, в которых проживает до 500 чел., только за 2021–2023 гг. к мобильной связи было подключено более 4700 населённых пунктов (при целевых показателях Плана деятельности Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации на период 2019–2024 гг. в 26,9 тыс. населенных пунктов) [2].
Потребляемая мощность вышки сотовой связи с автономным энергоснабжением обычно составляет от 2 до 5 кВт, но на отдельных вышках может достигать 20 кВт. Для ее энергоснабжения может потребоваться несколько тонн дизельного топлива в год. Для снижения потребления дизеля на таких вышках активно ставят возобновляемые источники энергии, прежде всего фотоэлектрические панели, однако из-за неравномерности выработки электроэнергии они не позволяют полностью отказаться от дизельной генерации. Применение совместно с ВИЭ систем водородного накопления энергии дает возможность организовать низкоуглеродное энергоснабжение вышек сотовой связи, а испытательный стенд позволит отработать на пилотном объекте предлагаемое техническое решение.
Сравнение вариантов энергообеспечения вышек сотовой связи
Рассмотрим основные применяемые для энергоснабжения изолированных объектов вышки сотовой связи. В соответствии с приказом Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации от 13 марта 2007 г. № 32 «Об утверждении требований к построению телефонной сети связи общего пользования в части обеспечения надежности электроснабжения средств связи, выполняющих функции систем коммутации, точек присоединения и базовых станций сетей подвижной связи», автономные вышки сотовой связи должны быть обеспечены электропитанием по 2 категории надежности [3]. Согласно п. 10 приказа, для обеспечения надежности на вышке сотовой связи должны стоять аккумуляторные батареи, обеспечивающие ее непрерывную работу в течение 24 часов.
Во всех схемах оборудование базовых станций сотовой связи, которое работает на постоянном токе с напряжением 48 В, будет снабжаться от свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (замена аккумуляторов на более современное, но менее распространенное решение в виде литий-железо-фосфатных батарей не приведет к изменению схемы), которые будут заряжаться от различных энергоисточников (в отсутствие сети к ним можно отнести солнечную электростанцию (СЭС), ветровую электростанцию (ВЭС), дизельную электростанцию (ДЭС) или комбинированные решения из 3 перечисленных ранее). Примерная схема энергоснабжения вышки сотовой связи показана на рис. 1. Следует отметить, что в приведенной схеме ВЭС и СЭС – источники переменного тока (небольшие ВЭС могут быть источниками постоянного тока), поэтому перед аккумулятором происходит преобразование переменного тока в постоянный. Конфигурация СЭС подобрана так, что напряжение на выходе из контроллера составляет 48 В.
Основное потребление вышки сотовой связи идет на работу базовых станций и на охлаждение основного оборудования и блока аккумуляторов, через который идет подача электроэнергии на оборудование вышки (комфортная работа оборудования – 18–24 ℃). В основном выделяемого оборудованием тепла (более 50% от общего объема потребления энергии) хватает для поддержания внутри помещения вышки, и его обогрев не требуется. Расход электроэнергии на охлаждение оборудования на вышке и аккумуляторных батарей может превышать 30% от общего объема потребляемой энергии [4].
Долгое время изолированные вышки сотовой связи в России получали электроэнергию исключительно за счет дизельной генерации. В 2004 г. ПАО «Вымпелком» оборудовало вышку сотовой связи на участке федеральной трассы «Горячий Ключ – Джубга» в районе горы Чубатая и села Молдавановка (Краснодарский край) солнечной электростанцией. Сегодня вышки сотовой связи с СЭС есть у всех сотовых операторов в Российской Федерации. В 2012 г. на побережье Баренцева моря в Мурманской области была построена изолированная вышка сотовой связи для ПАО «Мегафон», энергоснабжение которой осуществилось за счет комбинации ВЭС и ДЭС номинальной мощностью 4 кВт и среднесуточной выработкой 38,6 кВт·ч с системой накопления энергии 38,4 кВт·ч [5].
Примеров использования электрохимического энергоснабжения на вышках сотовой связи в России до пилотного проекта МФТИ не было, однако в мире такие проекты есть (например, американская компания Ballard с 2012 г. выпускает резервный электрохимический генератор энергии для вышек сотовой связи на базе метанольных топливных элементов) [6]. Также параллельно с экспериментом МФТИ похожий эксперимент с аналогичным по мощности электрохимическим генератором (мощность – 10 кВт) проводится в Австралии, в 120 км от Мельбурна [7]. Однако в австралийском случае вышка подключена к сетям, а водород выступает в качестве аварийного топлива и должен обеспечить работу вышки в течение 72 часов с момента остановки подачи электроэнергии. Вариант, при котором водород использовался бы в качестве накопителя энергии (выработка водорода при избыточной генерации электроэнергии и его потребление при низкой выработке электроэнергии), теоретически возможен (особенно в комбинации с ВЭС), однако свидетельств практического применения таких решений обнаружено не было.
Описание стенда МФТИ для вышки сотовой связи в п. Огоньки
В качестве пилотного объекта для установки водородной энергосистемы была выбрана 1 из 7 вышек сотовой связи на о. Сахалин с автономным энергоснабжением в п. Огоньки, расположенном на трассе «Южно-Сахалинск – Невельск» (рис. 2). Текущее энергоснабжение вышки организовано за счет 48 солнечных панелей (общая мощность – 15 кВт), 2 ветрогенераторов по 2 кВт каждый, дизель-генератора – 15 кВт и свинцово-кислотных аккумуляторов – до 120 кВт·ч (суточный запас, положенный по нормативам) при напряжении 48 В. Годовой расход дизельного топлива достигает 2 тонны, выработку электроэнергии дизельными генераторами можно оценить примерно в 8 МВт·ч. Основным источником электроэнергии в летнее время выступает солнечная генерация, в период с начала ноября до середины апреля основным источником энергии выступает дизель-генератор. Завоз дизельного топлива, часто затрудненный снежной целиной, осуществляется 2 раза в год.
Для частичной замены дизельного топлива был предложен вариант экспериментальной установки электрохимического генератора на базе водородно-воздушных топливных элементов с периодическим подвозом водорода из места его производства на базе в г. Южно-Сахалинск в специальных водородных картриджах по схеме виртуальной водородной трубы (газоснабжение, при котором газ производится на материнской заправке, доставляется в другое место в компримированном или сжиженном состоянии, затем регазифицируется или редуцируется и направляется конечному потребителю).
Установка состоит из модуля электрохимической генерации энергии на базе водородных топливных элементов с протон-обменной мембраной мощностью 10 кВт в контейнерном исполнении и модуля (картриджа) хранения водорода высокого давления общим геометрическим объемом 2,436 м3 (12 композитных баллонов по 203 литра) и давлением до 700 бар.
Как видно из таблицы 1, при давлении водорода в баллонах 350 бар общая электрическая емкость экспериментального картриджа составляет до 1,05 МВт·ч, при 700 бар – до 1,81 МВт·ч.
Снижение углеродных выбросов в первом случае составит 0,83 т СО2, во втором – 1,42 т в год. В дальнейшем за счет масштабирования водородных картриджей или одновременной доставки нескольких картриджей можно полностью заменить дизельную генерацию на вышке в п. Огоньки.
