Жоғары сұраныс кезеңдеріндегі қуат стансалары

Кіріспе

Жоғары сұраныс уақытына резервтелген

Пик электр станциялары, сондай-ақ пик станциялары деп аталады, кейде тек "пиктер" деп те аталады, бұл электр станциялары электр энергиясына жоғары сұраныс, яғни пик сұраныс кезінде ғана жұмыс істейді. Олар электр қуатын тек кейде ғана жеткізетіндіктен, олардың беретін қуаты базалық жүктеме қуатына қарағанда киловатт сағатына әлдеқайда қымбатқа түседі. Пик жүктеме электр станциялары базалық жүктеме электр станцияларымен бірге іске қосылады, олар тұрақты және үзіліссіз электр энергиясын жеткізіп, ең төменгі сұранысты қанағаттандырады. Тарихи тұрғыдан алғанда, пик электр станциялары көмірмен жұмыс істейтін базалық жүктеме станцияларымен жиі қолданылса да, қазір пик станциялары сирек қолданылады. Комбиналған циклді газ турбиналық станцияларында екі немесе одан көп цикл болады, олардың біріншісі пик станциясына өте ұқсас, ал екіншісі біріншісінің ысырап болатын жылуымен жұмыс істейді. Мұндай станциялар көбінесе жылдам іске қосылуға қабілетті, бірақ тиімділігі төмендеу, содан кейін бірнеше сағаттан соң тиімді базалық жүктеме режиміне өтеді. Комбиналған циклді станциялардың ваттқа шаққандағы капиталдық құны пик станцияларына ұқсас, бірақ олар ұзақ уақыт бойы жұмыс істейді, жалпы отынды аз қолданады, демек арзан электр энергиясын береді. 2020 жылғы мәліметтер бойынша, ашық циклді газ турбиналарының электр энергиясының құны шамамен 151–198 доллар/МВт сағатты құрайды. Кейбір жерлерде пик станциялары аккумуляторлық батареялармен алмастырылды. Нью-Йорк Энергия Корпорациясы (NYPA) газды пик станцияларын аккумуляторлық батареялармен алмастыруға тырысуда, Калифорния штатының Вентура округінде 142 Tesla Megapack (100 МВт қуаттылық) газды пик станциясын, ал Бельгияның Лессин қаласында 40 Tesla Megapack (50 МВт) турбореактивтік генераторды алмастырды. Австралияның Таза Энергия Кеңесі 2021 жылдың сәуір айында аккумуляторлық батареялар газды пик станцияларынан 30% арзан екенін анықтады.

Топтық сағат

Пик сағаттар әдетте таңертең немесе кешкі уақытта/кешке қарай, орналасқан жеріне байланысты болады. Жылы белдеулерде пик сағаттар көбінесе жұмыстан кейін үй шаруалық құралдары белсенді пайдаланылатын кешкі уақытта кездеседі. Ыстық климатта пик әдетте кешке қарай, кондиционерге жүктеме жоғары болғанда болады, осы уақытта көптеген жұмыс орындары әлі де ашық болып, қуатты тұтынады. Суық климатта пик таңертең болады, үйді жылыту және өнеркәсіп бірге басталады. Пик станциясы аймақтың электр желісінің жағдайына байланысты күніне көп сағат бойы немесе жылына бірнеше сағат қана жұмыс істей алады. Тиімді электр стансасын салудың қымбаттығын ескеретін болсақ, пик станциясы егер қысқа немесе өте өзгермелі уақыт ішінде жұмыс істесе, оны базалық жүктеме станциясы сияқты тиімді етудің экономикалық мағынасы жоқ. Сонымен қатар, базалық жүктеме станцияларында қолданылатын жабдықтар мен отын көбінесе пик станцияларында қолдануға қолайсыз, себебі ауыспалы жағдайлар жабдықты күшті тозуға ұшыратады. Осы себептерге байланысты ядролық, қалдықтан энергия, көмір және биомасса станциялары сирек немесе ешқашан пик станциялары ретінде жұмыс істемейді.

Жаңартылатын энергия

Елдердің фоссилді отынмен жұмыс істейтін базалық қуат станцияларынан айналып өтуімен және жел, күн сияқты жаңаруға қабілетті, бірақ үздіріліссіз энергия көздеріне қарай ұмтылуымен бірге, желідегі энергия сақтау жүйелеріне деген қажеттілік те артып келеді. Бұл жаңаруға қабілетті баламалардың арқасында қуат өндірудің пік сағаттарындағы немесе жүктемені қадағалау үшін жаңа станциялар салу қажеттігі азаяды. Тағы бір мүмкіндік – генерациялық қуатты кеңінен тарату, мысалы, WECC Intertie Paths сияқты желілік байланыстарды пайдалану арқылы.

Түрлері

Пикерлік қондырғылар көбінесе табиғи газды жасайтын газ турбиналары немесе газ қозғалтқыштары болып табылады. Аз мөлшерде биогаз немесе мұнайдан алынған сұйықтықтар, мысалы дизель отыны және авиакеросині қолданылады, бірақ олар әдетте табиғи газға қарағанда қымбат болғандықтан, пайдалануы табиғи газбен жабдықталмаған аймақтармен шектеледі. Табиғи газға қоса, көптеген пикерлік станциялар мұнайды қосалқы отын ретінде пайдалана алады, оны орналасқан жердегі резервуарларда сақтайды. Қарапайым циклді газ турбиналық электр станцияларының термодинамикалық тиімділігі 20-дан 42%-ға дейін, ал жаңа станция үшін орташа көрсеткіш 30-42% құрайды. Тиімділікті арттыру үшін, шығарылатын газдарға жылуды қайтару бу генераторы (HRSG) қосылады. Бұл комбинирленген циклді станция деп аталады. Когенерация қалдық жылуды өндірістік процестерге, аудандық жылу беруге немесе басқа жылу қажеттіліктеріне пайдалануды қамтиды. Бұл екі опция да әдеттегіден ұзақ уақыт бойы жұмыс істеуге арналған станцияларда ғана қолданылады. Электр желісін қолдау үшін кішкентай станцияларды пайдаланатын газ және дизельдік генераторлар кейде қолданылады. Газ турбиналарының тиімділігі мен қуатын арттырудың тағы бір жолы – турбинаға кіретін ауа температурасын төмендетіп, ауа ағынының массалық қатынамын арттыратын ауа салқындату жүйесін орнату. Бұл опция, жылу энергиясын сақтау резервуарымен біріктірілгенде, турбинаның қуатын ең жоғары жүктеме кезінде 30%-ға дейін арттыра алады. Гидроэлектр станциялары өздерінен ауытқуға бейім. Олар төмен жүктеме кезінде аз қуат өндіре алады және жоғары сұранысқа жылдам жауап бере алады, сондықтан гидроэлектр станциясы жүктемені қадағалаушы немесе пикерлік станция ретінде, ал жеткілікті су болған жағдайда – негізгі жүктеме станциясы ретінде жұмыс істей алады. Күнделікті және апталық өндіріс пен тұтынудың өзгеруіне жауап беру үшін жеткілікті гидроэлектр қуаты болмаған жағдайда, табиғи газ турбиналары немесе суды жинақтау станциялары жиі қолданылады. Сумен жабдықталымның мүмкіндіктерін асыратын бөгеттерді салу да кездеседі, бұл жоғары пик қуатын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Қазіргі бөгеттердегі жабдықтарды жаңарту пик қуатын арттырудың ең арзан жолдарының бірі болуы мүмкін. Электр қуатын өндіру мөлшерін өзгерту мүмкіндігі көбінесе өзеннің төменгі ағысындағы ең төменгі немесе ең жоғары ағын талаптарымен шектеледі. Суды жинақтау арқылы жұмыс істейтін гидроэлектр станциясы – электр қуатын сақтаудың ең үлкен сыйымдылығына ие, ол төмен және жоғары электр сұранысын теңестіру үшін қолданылады. Бұл станцияда энергия су қоймасында сақталған судың гравитациялық потенциалы арқылы сақталады. Негізгі жүктемеден немесе үздіріссіз көздерден алынған төмен құнмен электр қуаты төмен биіктіктен жоғары биіктіктегі резервуарға суды қағу үшін қолданылады. Жоғары электр сұранысы кезінде сақталған су турбиналар арқылы босатылып, электр қуатын өндіреді. Іске қосылу уақыты бірнеше минутты құрайды, ал кейбіреулері ондаған секундтардың ішінде іске қосыла алады. Батареялар кейбір жағдайларда, жағдайлар ағынды тегістеуге ыңғайлы болса, қымбат электр желісін жаңартудан аулақ болу үшін, сондай-ақ пик қуатын беру және турбиналармен немесе дизельдік қозғалтқыштармен гибридтік конфигурацияда жұмыс резервтері сияқты басқа желілік қызметтерді қамтамасыз ету үшін қолданылады. Батареялық қуат – барлық электр станцияларының арасында ең жылдам жауап беретін, желі жағдайларына миллисекундтық уақыт шкаласында жауап бере алады, бұл баяу жауап беретін жабдықтарға апаттарға жауап беруге мүмкіндік береді. Суды жинақтау арқылы жұмыс істейтін гидроэлектр станциялары мен батареялар – энергия көзі жоқ, сондықтан олар энергияны тұтынушылар болып табылады, ал электр қуатын және сақтауды кері айналдыру арасындағы түрлендіруде белгілі бір шығындар туындайды. 2017 жылы АҚШ Энергетика министрлігінің 2 нарық сыйлығы бойынша SolarDynamics компаниясының Хэнк Прайсіне күн жылулық пикерлік станциялары ұсынылды, оның "Жөнелтілетін күн электр станциясы" атты еңбегі күн жылу энергиясының энергиясын сақтау мүмкіндігін пайдалануды ұсынды. Бұл күн жылу энергиясының жылуға негізделген түрі газ пикері сияқты энергияны өндіруге мүмкіндік береді, күндіз немесе түнде сұранысқа сәйкес энергияны қамтамасыз етеді және керісінше коммуналдық қызметпен бақыланады және қажет болған кезде, дәстүрлі пикерлік станциялар сияқты, қуаты төлемдері бойынша төленеді. Күн жылу электр станциясы дәстүрлі электр станциясы сияқты бу циклы электр стансасында электр энергиясын өндіреді, бірақ буға қажетті жылу күн энергиясымен қыздырылатын материал, мысалы, балқытылған тұздар арқылы қамтамасыз етіледі және энергияны өндіру үшін бу жасау үшін қажет болғанға дейін жылу сақталады.

Peaker plants are generally gas turbines or gas engines that burn natural gas. A few burn biogas or petroleum derived liquids, such as diesel oil and jet fuel, but those are generally more expensive than natural gas, so their use is limited to areas not supplied with natural gas. In addition to natural gas, many peaker plants are able to use petroleum as a backup fuel, storing oil in tanks on site. The thermodynamic efficiency of simple cycle gas turbine power plants ranges from 20 to 42%, with between 30 and 42% being average for a new plant. For greater efficiency, a heat recovery steam generator (HRSG) is added at the exhaust. This is known as a combined cycle plant. Cogeneration uses waste exhaust heat for process, district heating or other heating uses. Both of these options are used only in plants that are intended to be operated for longer periods than usual. Natural gas and diesel generators with reciprocating engines are sometimes used for grid support using smaller plants. Another option for increased efficiency and power output in gas turbines is installing a turbine inlet air cooling system, that cools down the inlet air temperature increasing mass flow ratio. This option, in combination with a thermal energy storage tank, can increase the turbine power output in on peak periods up to 30%. Hydroelectric dams are intentionally variable. They can generate less during off peak and quickly respond to peak demands, consequently hydroelectricity may function as load following or a peaking plant and with sufficient water, a base load plant. Natural gas turbines or pumped storage are often used where there is not enough hydroelectricity to respond to daily and weekly variations in generation and consumption. It is not unusual for a dam to be built with more capacity than can be sustained by the water supply, allowing for a higher peak output. Upgrading equipment at existing dams can be one of the least expensive ways of increasing peak generation. The ability to vary the amount of electricity generated is often limited by the requirement that minimum or maximum flows downstream are satisfied. Pumped storage hydroelectricity is the largest capacity form of grid energy storage available, used for averaging off peak and peak electrical demands. The site stores energy using the gravitational potential of water stored in a reservoir. Low cost off peak electric power from base load or intermittent sources is used to pump water at a low elevation to storage in a high elevation reservoir. During periods of high electrical demand, the stored water is released through turbines to produce electric power. Start up times are only a few minutes, and some can start in a few tens of seconds. Batteries are used in some cases where conditions favor it to smooth flow, avoiding a costly power line upgrade, as well as supplying peak power and other grid services such as operating reserve, sometimes in hybrid configuration with turbines or diesel engines. Battery power is by far the fastest responding of all powerplants, and can respond to grid conditions at millisecond timescales, giving slower responding equipment a chance to react to outages. Pumped storage and batteries are net consumers, as they have no inherent energy source, and the conversion between electricity and storage and back incurs some losses. Solar thermal peaker plants were proposed in 2017, under a US Department of Energy Technology 2 Market award to Hank Price of SolarDynamics, whose paper "Dispatchable Solar Power Plant" proposed utilizing the thermal energy storage inherent in a solar thermal energy power plant, that enables this heat based form of solar to generate like a gas peaker, to supply power on demand day or night, and in return be controlled by the utility and paid in capacity payments to be available when needed, like a traditional peaker plant. A solar thermal power plant makes electricity in a steam cycle power plant like a traditional power plant but the heat for steam is supplied by solar energy heating a material such as molten salts and storing the heat until needed to make steam for power generation.

Базалық жүктемемен жұмыс істейтін электр станциялары

Экономикалық электрмен жабдықтау жүйесі базалық жүктемелі электр станцияларын да қамтиды. Бұл генерациялық құрылғылар отынның төменгі өсімді шығынына басымдық береді, бірақ тиімділікті арттыру үшін жоғары капиталдық инвестицияларды қолдануы мүмкін. Мысалы, шыңдық станция тек газ турбинасын пайдалануы мүмкін, ал базалық жүктемелі станция өндірілген электр энергиясының бірлігіне арналған станцияның жалпы отын тұтынуын жақсарту үшін будың «төменгі циклын» қосуы мүмкін. Ядролық және көмірлі электр станциялары көбінесе үздіксіз жұмыс істейді, тек техникалық қызмет көрсету немесе күтпеген ақаулар үшін ғана тоқтатылады. Ядролық электр станцияларының жоғары капиталдық шығындармен салыстырғанда отынның төменгі өсімді шығыны оларды базалық жүктемемен жабдықтау үшін ең тиімді жасайды. Сумен жабдықтау бойынша шектеулері аз гидроэлектр станцияларын да базалық жүктеме үшін пайдалануға болады, себебі олардың өсімді отын шығындары нөлге тең. Бу циклымен жұмыс істейтін электр станциясының суық күйден толық қуатқа өтуіне бірнеше сағат уақыт қажет болғандықтан, олар көбінесе шыңдық жүктемеге қызмет көрсету үшін қолданылмайды. Гидроэлектр станциялары сияқты аралық жүктемені қадағалайтын электр станциялары осы екі шектің арасында жұмыс істейді, сұраныс төмен болған түндері мен демалыс күндері қуатын азайтады. Электр энергиясына деген сұранысты қанағаттандыру үшін базалық және аралық станциялар басымдықпен қолданылады, өйткені шыңдық станциялардың төмен тиімділігі оларды пайдалануды қымбатқа түсіреді.