Складирование электроэнергии.
Мои три последние статьи «История познания электричества», «Электричество в жизнь», «Война токов» были посвящены популярному описанию истории изучения и последующего освоению электричества. Много было сомнений — нужны ли эти темы читателям «Проза.РУ». Мне лично, в соответствии с сорокалетним стажем работы электриком, было интересно привести в порядок все известные мне факты, дополнить их неизвестными и, как-бы создать хотя бы для себя общую картину, хоть далеко не полную, исторической последовательности этих процессов. В этих статьях я пытался избегать углубления в теорию электричества, с тем чтобы это мог понять любой, читатель со средним образованием, интересующийся явлениями окружающей нас среды
Конечно же были сомнения — будет ли эта специфическая отрасль техники интересна читателям «Проза.РУ». Решил рискнуть и опубликовать. В результате я увидел множество прочтений и рецензий по этим статьям, за что очень благодарен читателям. Значит мои старания не были бесполезными.
В указанных статьях речь шла о широко применяемых и известных элементах оборудования как генераторы, трансформаторы, двигатели и светильники. В данной статье речь пойдет о вопросах более специфических и менее популярных — о сохранении, накоплении или, в конечном счете складировании электроэнергии. Это относительно новая сфера деятельности энергосистем, И я попытаюсь доступным языком рассказать широкому читателей об этой очень интересной области.
Производство электроэнергии на электрических станциях и ее потребление различными потребителями представляет процесс в котором мощность потребляемая указанными потребителями в любой момент времени равна генерируемой мощности.
Эта непреложная истина излагается как в нормативных документах, так в учебной литературе.
Говоря простыми словами это значит, что предприятия вырабатывающие энергию, а это электростанции, не могут работать на склад, как например кирпичные, металлообрабатывающие и другие подобные заводы, электростанции могут вырабатывать ровно столько, сколько нужно потребителю..
Может показаться странным, но я в предлагаемой статье буду опровергать эти, казавшиеся ранее непреложные истины и говорить о необходимости создания условий для возможности накопления электроэнергии, что равнозначно ее складированию. Будут рассмотрены причины возникновения такой потребности и способы накопления электроэнергии.
Причиной поворота науки к поискам способов создания накопителей энергии заключается в том, что режим работы энергосистем имеет еще одну особенность — потребление электроэнергии очень неравномерно по времени.
Потребление неравномерно в течении суток: дневные, вечерние, ночные и утренние часы.
Потребление неравномерно в течение недели: рабочие дни, выходные и праздники.
Потребление неравномерно в течение года: зимний и летний периоды.
В практике совместной работы генерирующих предприятий с потребителями электроэнергии создаются условия при которых в часы максимальных нагрузок электростанциям нужно повышать выработку до максимально возможных пределов, Между тем, как в пределах этой же системы наступают достаточно длительные периоды, когда часть генераторов выводят из работы за ненадобностью, а остающиеся в работе загружены лишь частично. К первому периоду наибольших нагрузок относятся: рабочее время зимнего периода, примерно с 8часов утра до 18 часов вечера с провалом потребления в обеденные перерывы. К второму периоду относятся ночные часы, выходные и праздничные дни. Это приблизительное описание режимов работы энергосистем.
В работе инженера Гуртовцева А.Л. приводятся данные по энергосистеме Белоруссии в осенне-зимний сезоны.
Ночные часы выработка электроэнергии -3500 МВт (мегаватт)
Утренний максимум (приблизительно с 8.00 до 12.00 часов) — 5150 МВт
Вечерний максимум (приблизительно с 13.00 до 17 часов) – 5300 МВт
Назовем часы наибольших нагрузок — пиковыми.
Однако проведенные исследования показывают, что снижение числа часов использования установленной мощности крупных ТЭС с 6000 до 4000 часов в год приводит к возрастанию себестоимости вырабатываемой электроэнергии на 30—35%.
Повышение или снижение выработки электроэнергии на тепловых станциях связано с рядом трудностей.
-Необходимо иметь установленную мощность доходящую до наибольшей в пиковые часы. Длительность этих пиковых нагрузок небольшая.
-При изменении режима происходит дополнительное расходование топлива
-Износ оборудования из -за повышенного количества переключений
На гидростанциях в период паводка снижение выработки в период паводка приводит к затоплению дополнительных территорий.
Решение возникших неудобств энергетики видят в организации по возможности равного распределению нагрузки в течении суток.
Одним из способов создания более плавного графика нагрузок, за рубежом был внедрен и широко использовался двухставочный тариф, по которому стоимость электроэнергии в дневное время наибольших нагрузок была существенно дороже, чем в ночные часы минимальных нагрузок. Этим стимулировалось перевод ряда предприятий с определенной технологией на ночные часы.
Уже тогда некоторые гидростанции в часы минимальных нагрузок и пониженной стоимости решили покупать за пониженную цену энергию у системы, для чего переводили свои турбины в режим насоса, и в ночные часы перекачивали воду из нижнего бьефа в верхний бьеф, запасая воду. В дневное время они переводили турбины в свойственный им режим пропускали купленную ночью «дешевую воду» в нижний бьеф и продавали выработанную энергию системе по более высокой цене. Здесь мы и сталкиваемся с технологией «складирования электроэнергии». Воду, накапливаемую в верхнем бьефе рассматривается как накопление электроэнергии.
Чтобы раскрыть более широко тему накопления энергию давайте принципиально рассмотрим еще другие способы накопления (складирования) электроэнергии
1. Всем известный и давно опробованный способ накопления электроэнергии в кислотных или щелочных аккумуляторах. В настоящее время он широко расширяется ввиду внедрения электромобилей, в которых вместо бензинового двигателя устанавливается электродвигатель, питаемый от аккумуляторной батареи. Внедрение литиевых присадок удается уменьшить габариты батарей. Но в любом случае этот метод не годится для большой энергетики, где вырабатывается и используются энергия в других много больших масштабах.
2. Газовые хранилища. Суть — избыточная энергия используется для для производства водорода электролизом. Водород преобразовывается в метан с применением углерода, который затем используется как топливо.
3. Гравитационная система. Избыточная энергия поднимает вес на высоту. При необходимости снижающийся под собственным весом груз, через систему редукторов вращает генератор.
4. Термальные накопители. Электроэнергией разогревается камень, находящийся в термоизоляции до 600 градусов. Затем тепло через паровую турбину и электрогенератор выдает энергию в энергосистему.
5. Гидроаккумулирующие электростанции, которым посвящена данная статья.
Каждый из перечисленных способов имеют разные коэффициенты полезного действия.
Аккумуляторные батареи 88 — 90%
Газовые системы 50%
Гравитационные системы 80- 85 %
Разогретый камень 50%
ГАЭС 75%
В работах ученого энергетика Козлова А.С. приведены данные об использовании ГАЭС в некоторых странах.
Япония. Установленная мощность 237, 9 ГВт. Мошность ГАЭС -7.7 ГВт , – 6%
США. Установленная мощность 979.5 ГВт Мощность ГАЭС -18.4 ГВт. -2%
Россия Установленная мощность 214.9 ГВт. Мощность ГАЭС — 1.2 ГВт - 0.5%
Таким образом мы видим практическую целесообразность накопления энергии в часы минимальных нагрузок, с тем чтобы использовать ее в часы максимальных нагрузок. И нашей стране предстоит большое поле действия в этой этой области.
А теперь нужно сказать главное. Во всем мире и в России также в нарастающем темпе сооружаются электростанции на возобновляемых источниках энергии, как ветряные и солнечные электростанции. Совершенно очевидно, что ветры дуют по непредсказуемому нами расписанию. Так же солнечные лучи обеспечивают выработку электроэнергии по различным метеорологическим условиям, которыми мы не управляем.
По мере внедрения подобных источников энергии, особенно важно научиться сохранять и накапливать энергию в период ее выделения в солнечные часы и сильные ветры, чтобы ее в дальнейшем использовать по нужному нам графику.
В настоящее время в России всего 3 работающих ГАЭС, что подтверждается вышеприведенным списком их использования
Загорская ГАЭС в Московской области построенная в за период 1980 — 2002 года мощностью 1200МВт. В настоящее время сооружается вторая очередь на 840 МВт.
Зеленчукская ГАЭС, являющаяся частью гидроэнергетического комплекса. Мощность 300МВт в турбинном режиме и 156МВт в насосном режиме.
Кубанская ГАЭС мощность15.9 МВт в насосном режиме и 14.4 МВт в турбинном режиме.
Ленинградская ГАЭС в Лодейнопольском районе. Запроектирована до перестройки и не реализованная до сих пор. Ее мощность- 1560 МВт в турбинном режиме и 1760 МВт в насосном.
Можно сказать, что есть куда развернуться.