Кіріспе
Таратылған электр энергиясын өндіру
Таратылған энергияны өндіру, сондай-ақ үлестірілген энергияны өндіру, орналасқан жерде өндіру (OSG) немесе аудандық/орталықтандырылмаған энергия – бұл таратқан энергия ресурстары (DER) деп аталатын әртүрлі шағын, желіге немесе үлестіру жүйесіне қосылған құрылғылар арқылы жүзеге асырылатын электр энергиясын өндіру және сақтау. Көмірмен, газбен және ядролық энергиямен жұмыс істейтін, сондай-ақ гидроэлектр станциялары мен ірікөлемді күн электр станциялары сияқты дәстүрлі электр станциялары орталықтандырылған және көбінесе электр энергиясын ұзақ қашықтыққа беруді қажет етеді. Ал DER жүйелері орталықтандырылмаған, модулді және икемді технологиялар болып табылады, олар қызмет көрсететін тұтынушыға жақын орналасқан, бірақ қуаты 10 мегаватттан (МВт) аспайды. Бұл жүйелер бірнеше өндіру және сақтау компоненттерінен құралуы мүмкін; мұндай жағдайда оларды гибридтік қуат жүйелері деп атайды. DER жүйелері әдетте жаңаруға қабілетті энергия көздерін пайдаланады, соның ішінде шағын гидро, биомасса, биогаз, күн энергиясы, жел энергиясы және геотермальдық энергия, сондай-ақ электр энергиясын үлестіру жүйесінде маңызды рөл атқарады. Электр энергиясын сақтауға арналған желіге қосылған құрылғыны да DER жүйесі ретінде жіктеуге болады және оны көбінесе үлестірілген энергия сақтау жүйесі (DESS) деп атайды. Интерфейс арқылы DER жүйелерін «ақылды желіде» басқару және үйлестіру мүмкін. Үлестірілген өндіріс пен сақтау көптеген көздерден энергияны жинауға мүмкіндік береді және қоршаған ортаға тигізетін зиянды азайтып, жабдықтаудың қауіпсіздігін арттырады. DER-ді, мысалы, күн энергиясын, жел энергиясын және т.б. интеграциялаудың маңызды мәселелерінің бірі – мұндай электр энергиясы ресурстарының белгісіздігі. Бұл белгісіздік үлестіру жүйесінде бірнеше проблемаларды тудыруы мүмкін: (i) ол сұраныс пен ұсыныс арақатынастарын өте күрделі етеді және желіні теңгеруге күрделі оптимизациялау құралдарын қажет етеді, (ii) ол беру желісіне қосымша жүктеме салады және (iii) үлестіру жүйесінен беру жүйесіне кері қуат ағынын тудыруы мүмкін. Микрожелілер – дәстүрлі, орталықтандырылған электр желісіне (макрожеліге) қарама-қарсы келетін заманауи, локальді, шағын желілер. Микрожелілер орталықтандырылған желіден ажыратылып, автономды түрде жұмыс істей алады, желінің сенімділігін арттырады және желілік бұзылыстарды азайтуға көмектеседі. Олар әдетте төмен кернеулі айнымалы ток желілері болып табылады, көбінесе дизельдік генераторларды пайдаланады және оларды қызмет көрсететін қауымдастық орнатады. Микрожелілер көбінесе әртүрлі таратқан энергия ресурстарын, мысалы, күн энергиясымен жұмыс істейтін гибридтік жүйелерді пайдаланады, бұл көміртегі шығарылымын айтарлықтай азайтады.
Желілік теңдік
Желілік теңдік – энергияның баламалы көзі деңгейлендірілген есептелген құнымен (LCOE) электр энергиясын соңғы тұтынушы төлейтін бөлшек сауда бағасынан кем немесе тең шамада өндіре алатын жағдай. Желілік теңдікке қол жеткізу – энергия көзінің субсидиялар мен мемлекеттік қолдаусыз кеңінен дамуға мүмкіндік алатын шегі ретінде қарастырылады. 2010 жылдардан бері күн және жел энергиясы үшін желілік теңдік Австралия, бірқатар Еуропа елдері және АҚШ-тың кейбір штаттары сияқты нарықтарда шындыққа айналды.
Когенерация
Таратылған жылу-электрлік когенерация көздері генераторларды іске қосу үшін бу турбиналарын, табиғи газбен жұмыс істейтін отын элементтерін, микротурбиналарды немесе поршеньді қозғалтқыштарды пайдаланады. Ыстық түтін содан кейін кеңістікті немесе суды жылыту үшін, немесе кондиционер сияқты салқындату үшін сіңіру салқындатқышын іске қосу үшін қолданылады. Табиғи газға негізделген жобалардан басқа, энергияны тарату жобаларына басқа да жаңартылатын немесе төмен көміртекті отындар кіре алады, оның ішінде биоотын, биогаз, полигон газы, каналізация газы, көмір қабаты метаны, синтездік газ және байланысты мұнай газы. Delta ee консультанттары 2013 жылы жаһандық сатылымның 64% құрайтын отын элементтері микрожылу және электр қуаты 2012 жылы сатылым көлемі бойынша дәстүрлі жүйелерден басып өтті деп мәлімдеді. 2012 жылы Жапонияда Ene Farm жобасы аясында барлығы 20 000 дана сатылды. PEM отын элементтерінің қызмет мерзімі шамамен 60 000 сағатты құрайды және олар түнгі уақытта өшіріледі, бұл шамамен оннан он бес жылға дейін қызмет ету мерзіміне тең. Орнатудан бұрынғы бағасы 22 600 доллар. 2013 жылы 50 000 данаға мемлекеттік субсидия қарастырылған. Соңғы жылдары фотоэлектрлік технология күн сәулесін электр энергиясына айналдыру тиімділігін арттырды, ваттқа орнату құнын, энергияны қайтару уақытын (EPBT) және электр энергиясының деңгейленген құнын (LCOE) төмендетті және 2014 жылы кем дегенде 19 нарықта желілік теңдікке жетті. Көптеген жаңартылатын энергия көздері сияқты, және көмір мен атом энергиясынан айырмашылығы, күн энергиясы өзгергіш және сұраныс бойынша жұмыс істемейді, бірақ отын шығындары жоқ, пайдалы қазбаларды өндіру және пайдалану кезіндегі ластану деңгейі төмен, сондай-ақ қауіпсіздік мәселелері де азайтылған. Ол күннің ортасы шамасында ең жоғары қуатты өндіреді және қуат факторы шамамен 20 пайызды құрайды.
Жел қуаты
Жел турбиналарын энергия ресурстарын бөлу үшін пайдалануға болады немесе оларды ірі масштабта салуға болады. Олар аз күтімді қажет етеді және қоршаған ортаны аз ластайды, бірақ таратылған жел энергиясының басқа энергия көздеріне қарағанда құны жоғары. Күн энергиясы сияқты, жел энергиясы да өзгергіш және диспетчерлік емес. Жел мұнаралары мен генераторлары күшті желдің салдарынан сақтандыруға жататын айтарлықтай жауапкершілікке ие, бірақ жұмыс істеу қауіпсіздігі жоғары. Жел гибридтік қуат жүйелерінен таратылатын энергия жел қуатын басқа DER жүйелерімен біріктіреді. Мысалы, жел турбиналарын күн гибридтік қуат жүйелеріне интеграциялауға болады, себебі жел күн энергиясын толықтырады, өйткені әрбір жүйенің ең жоғары өнімділік уақыты күнінің және жылдың әртүрлі кезеңдеріне сәйкес келеді.
Су энергиясы
Су электр қуаты – жаңартылатын энергияның ең көп қолданылатын түрі және оның мүмкіндіктері зерттелген немесе балық шаруашылығына тигізетін зиян мен демалысқа қойылатын талаптар сияқты мәселелерге байланысты шектелуде. Дегенмен, 21 ғасырдың заманауи технологияларын, мысалы толқын энергиясын пайдалану арқылы, қоршаған ортаға минималды әсер ете отырып, жаңа су электр қуатының үлкен көлемін алуға болады. Модульдік және кеңейтілген келесі буын кинетикалық энергия турбиналарын тұрғын, коммерциялық, өнеркәсіптік, қалалық және тіпті аймақтық деңгейдегі қажеттіліктерді қанағаттандыру үшін жиынтықтарда орналастыруға болады. Микрогидрокинетикалық генераторларға бөгеттер мен су жинағыштар қажет емес, себебі олар судың қозғалысының кинетикалық энергиясын – толқындарды немесе ағынды пайдаланады. Жағалауда немесе теңіз түбінде құрылыс жүргізу қажеттілігі болмайды, бұл ортаға тигізетін зиянды азайтады және рұқсат алу процесін жеңілдетеді. Мұндай қуат өндірісінің қоршаған ортаға тигізетін әсері ең аз, ал дәстүрлі емес микрогидрожүйелерді доктар, пирстер, көпір тіректері немесе ұқсас нысандар сияқты қолданыстағы құрылымдарға бекітуге болады.
Қалдықтарды энергияға айналдыру
Қалалық қатты қалдықтар (ҚҚҚ) және табиғи қалдықтар, мысалы, кәріз шламасы, тамақ қалдықтары және мал тыңайтқышы, ыдырап, метан газын бөліп шығарады. Бұл газды газ турбиналарында немесе микротурбиналарда отын ретінде жинап, электр энергиясын өндіруге болады, осы арқылы таратылған энергия көзіне айналады. Сонымен қатар, Калифорния штатындағы Gate 5 Energy Partners, Inc. компаниясы табиғи қалдықтарды, мысалы, кәріз шламасын, биоотынға айналдыратын технологияны әзірледі. Бұл биоотын күйдіріп, бу турбинасын іске қосып, электр энергиясын өндіруге болады. Бұл энергияны қалдық пайда болатын жерде (мысалы, тазарту станциясы, ферма немесе мал шаруашылығы) желілік электр энергиясының орнына қолдануға болады.
Энергияны сақтау
Бөлінген энергия ресурсы электр энергиясын өндірумен ғана шектелмейді, сонымен қатар бөлінген энергияны (БЭ) сақтау құрылғысын да қамтуы мүмкін. Бөлінген энергияны сақтау жүйелері (БЭҚЖ) қолданыс аясына әртүрлі типтегі аккумуляторлар, гидроаккумуляциялық стансалар, қысылған ауа және жылу энергиясын сақтау жүйелері кіреді. Алайда, Tesla Powerwall сияқты литий-ионды аккумуляторлар жақын арада қорғасын қышқыл аккумуляторларын ығыстыру мүмкіндігіне ие, себебі олар қарқынды түрде дамытылуда және Gigafactory 1 сияқты ірі өндіріс орындарының арқасында масштабты өндіріс есебінен бағасы төмендеуі күтілуде. Сонымен қатар, плагин электр көліктерінің литий-ионды аккумуляторлары болашақта энергия сақтау құрылғылары ретінде пайдаланылуы мүмкін, өйткені көліктердің көпшілігі күнінің 95 пайызын тоқтап тұрады, олардың аккумуляторларын электр энергиясын көліктен электр желісіне және кері бағытта жіберу үшін қолдануға болады. Таратылған күн энергиясы жүйелері үшін қарастырылатын басқа да қайта зарядталатын аккумуляторлар: натрий-күкірт және ванадий редокс аккумуляторлары, сұйық тұз және ағын аккумуляторларының екі белгілі түрі. Электр көліктерінің желісі БЭҚЖ ретінде қызмет ете алады.
Ұшақ дөңгелектері
Жылдам айналатын дөңгелектің энергиясын сақтау (FES) жүйесі таралған ресурстардан алынған электр энергиясын бұрыштық кинетикалық энергия түрінде сақтайды. Бұл үшін ротор (жылдам айналатын дөңгелек) вакуумдік корпуста шамамен 20 000-нан 50 000 айналымға дейін жоғары жылдамдыққа дейін айналдырылады. Дөңгелектер тез реакция жасайды, себебі электр энергиясын бірнеше секунд ішінде жинап, желіге қайта жібере алады.
Желімен интеграциялау
Сенімділік тұрғысынан, үлестірілген электр энергиясын өндіру ресурстары орталық станциялармен бірдей беру желісіне қосылады. Бұл ресурстарды желіге интеграциялауда түрлі техникалық және экономикалық мәселелер туындайды. Техникалық проблемалар қуат сапасы, кернеу тұрақтылығы, гармоникалар, сенімділік, қорғау және басқару салаларында көрінеді. Желідегі қорғау құрылғыларының жұмысы, үлестірілген және орталық станциялардағы генерацияның барлық комбинациялары үшін тексерілуі керек. Үлестірілген электр қуатын кең көлемде пайдалану жиілікті басқару және резервтерді бөлу сияқты желілік функцияларға әсер етуі мүмкін. Осының салдарынан, желіге «ақылды желі» функциялары, виртуалды электр станциялары және электр қуатын газға айналдыру станциялары сияқты желілік энергия сақтау құрылғылары қосылады. Коммуналдық кәсіпорындар мен ресурстарды басқару ұйымдары арасында келіспеушіліктер туындауы мүмкін. Әрбір үлестірілген электр энергиясын өндіру ресурсының өзіндік интеграция мәселелері бар. Күн энергиясы мен жел энергиясының екеуі де үздіріссіз және болжауға қиын генерацияға ие, сондықтан кернеу мен жиілік тұрақтылығына қатысты көптеген мәселелер тудырады. Бұл кернеу мәселелері жүктемелік трансформаторлар сияқты механикалық желілік жабдықтарға әсер етеді, олар тым жиі реакция жасайды және коммуналдық кәсіпорындар күткеннен гөрі әлдеқайда жылдам тозығып тез сыналады. Сонымен қатар, күн энергиясын өндірудің жоғары деңгейінде энергияны сақтаудың ешқандай мүмкіндігі болмағандықтан, компаниялар күн бату кезінде күн энергиясының жоғалуын өтеу үшін энергия өндірісін жылдам арттыруға мәжбүр болады. Бұл жоғары жылдамдық желі операторлары үшін болашақта маңызды мәселе болып табылатын «өзбек қисығы» деп аталатын құбылысты тудырады. Егер оны іске асыру мүмкін болса, энергия сақтау осы мәселелерді шеше алады. Инерциялық дөңгелектер жиілікті жақсы реттеуге қабілетті. Сонымен қатар, батареялармен салыстырғанда, инерциялық дөңгелектердің циклдік өмірі жоғары, яғни олар көптеген циклдардан (шамамен 10 000 цикл) кейін де бірдей энергия мен қуатты сақтай алады. Жеткілікті көлемде қолданылса, қысқа мерзімді батареялар «өзбек қисығын» тегістеуге, генераторлардың жұмысын ауытқудан сақтауға және кернеу профилін тұрақтандыруға көмектеседі. Дегенмен, энергияны сақтаудың басты шектеуші факторы – құны, өйткені әрбір технологияны кең көлемде өндіру өте қымбатқа түседі және олар сұйық отынмен салыстырғанда энергия тығыздығы төмен. Соңында, фотоэлектрлік энергияны тиімді үлестірілген генерация үшін интеграциялаудың тағы бір қажетті әдісі – интеллектуалды гибридті инверторларды пайдалану. Интеллектуалды гибридті инверторлар энергия өндірісі тұтынудан артық болған кезде энергияны сақтайды. Тұтыну жоғары болған кезде, бұл инверторлар қуатты ұсынады, осылайша тарату жүйесінің жүктемесін азайтады. Тағы бір тәсіл желіге интеграциялауды қажет етпейді: автономды гибридтік жүйелер.
ГД интеграциясының кернеу және жиілік мәселелерін жеңілдету
Бөлінген энергия көздерін (БЭК) енгізудің артуына байланысты кернеу және жиілік мәселелерін азайтуға қатысты бірқатар күш-жігер жұмсалды. Ең бастысы, IEEE 1547 стандарты БЭК-тің қосылуы мен өзара жұмыс істеуін қамтамасыз етеді. IEEE 1547 ақауды қандай уақытта жою керектігін, сондай-ақ кернеудің немесе жиіліктің ауытқу шамасына байланысты белгілі бір қисықтар арқылы көрсетеді. Кернеу мәселелері ескі жабдықтарға жаңа функцияларды орындау мүмкіндігін береді. Атап айтқанда, инверторлар БЭК-тің шығыс кернеуін реттеуге қабілетті. Инвертор кедергісін өзгерту БЭК кернеуіндегі құбылмалылықты өзгертеді, яғни инверторлар БЭК кернеу шығысын басқара алады. БЭК интеграциясының механикалық желілік жабдыққа тигізетін әсерін азайту үшін трансформаторлар мен жүктемелік таңдауыштар БЭК-тің тудырған кернеудің бұзылуын азайтатын нақты таңдау қисықтарын қолдануға мүмкіндік береді. Яғни, жүктемелік таңдауыштар БЭК жабдықтарынан туындаған кернеудің құбылмалылығына қарағанда ұзаққа созылатын кернеудің құбылмалылығына жауап береді.
Жекелеген гибридтік жүйелер
Қазір фотоэлектрлік, аккумуляторлар және когенерация сияқты технологияларды біріктіріп, автономды, шағын электр станцияларын құру мүмкін. Жақында жасалған зерттеулер мұндай жүйелердің электр энергиясын өндіру құнының төмен екенін көрсетті. Көптеген авторлар бұл технологиялардың кең ауқымды желіден кетуге мүмкіндік беретінін айтады, себебі тұтынушылар электр қуатын негізінен күн фотоэлектрлік технологиясын қолданатын желіден тыс жүйелер арқылы өндіре алады. Мысалы, Рокки тау институты кең ауқымды желіден кету мүмкіндігін қарастырды. Бұл Орта Батыстағы зерттеулермен де қолдау табады.
Шығын факторлары
Когенераторлар бір ваттқа орталық генераторлардан қымбат. Олардың танымалдығының себебі, көптеген ғимараттар қандай да бір отынды пайдаланады, ал когенерация сол отыннан максималды пайда алуға мүмкіндік береді. Жергілікті өндіріс кезінде электр энергиясы ұзақ қашықтыққа тарату желілерінде немесе трансформаторлардағы Джоуль эффектісінен жоғалмайды, мұнда энергияның жалпы сомасының 8-15% жоғалады (электр энергиясының көздеріне қарай құнына да қараңыз). Кейбір ірі орналымдар біріктірілген циклді генерацияны қолданады. Әдетте, бұл газ турбинасынан басталады, оның шығарылатын газдары Ранкин циклындағы бу турбинасын қозғау үшін суды қайнатады. Бу циклының конденсаторы кеңістікті жылытуға немесе абсорбциялық салқындатқышқа жылу береді. Когенерациямен жұмыс істейтін біріктірілген циклді станциялар ең жоғары жылу тиімділігіне ие, көбінесе 85%-дан асып түседі. Жоғары қысымды газ тарату жүйесі бар елдерде кішкентай турбиналар газ қысымын тұрмыстық деңгейге дейін төмендету үшін қолданылуы мүмкін, сонымен бірге пайдалы энергияны өндіруге болады. Егер Ұлыбритания бүкіл ел бойынша осы жүйені енгізсе, қосымша 2-4 ГВт электр энергиясы қолжетімді болады. (Айта кетсек, бастапқы жоғары газ қысымын қамтамасыз ету үшін энергия басқа жерде өндіріледі, бұл әдіс энергияны таратудың басқа жолын ұсынады.)
DER жүйелеріндегі байланыс
IEC 61850-7-420 IEC TC 57: Электр жүйелерін басқару және ақпарат алмасу бойынша жарияланады. Бұл IEC 61850 стандарттарының бірі, олардың кейбіреулері ақылды желілерді іске асыру үшін қажетті негізгі стандарттар болып табылады. Ол IEC 61850-8-1 стандартына сәйкес MMS-ке бейімделген байланыс қызметтерін пайдаланады. OPC сонымен қатар DER жүйесінің әртүрлі элементтері арасындағы байланыс үшін қолданылады. Электр және электроника инженерлері институты IEEE 2030.7 микрожелі контроллері стандарты. Бұл тұжырымдама 4 блокқа негізделген: а) Құрылғы деңгейінде басқару (мысалы, кернеу және жиілікті басқару), б) Жергілікті аумақты басқару (мысалы, деректерді байланыстыру), в) Бақылау (бағдарламалық) контроллері (мысалы, генерация және жүктеме ресурстарын алдын ала жоспарлау арқылы оңтайландыру), және г) Желілік қабат (мысалы, коммуналдық қызметпен байланыс). Күрделі басқару алгоритмдерінің көптігі шағын және тұрғын үйлердегі таратылған энергия ресурстарын (ДЭР) пайдаланушыларға энергияны басқару және басқару жүйелерін енгізуді қиындатады. Әсіресе, байланыс жаңартулары мен деректер ақпараттық жүйелерінің құны жоғары болуы мүмкін. Сондықтан, кейбір жобалар DER басқаруын жеңілдету үшін қолжетімді өнімдерді пайдалануға және оны кеңінен қолдануға тырысады (мысалы, Raspberry Pi қолдану).
Таратылған электр энергиясын өндіруге қойылатын құқықтық талаптар
2010 жылы Колорадо штаты 2020 жылға қарай Колорадода өндірілетін электр қуатының 3%-ының қандай да бір таратылған генерацияны пайдалануын талап ететін заң қабылдады. 2017 жылдың 11 қазанында Калифорния губернаторы Джерри Браун SB 338 заң жобасына қол қойды, ол пайдалылық компанияларын жоспарлауға міндеттейді. "газ генерациясына көміртегі шығарылымсыз баламалар" ең жоғары сұранысты қанағаттандыру үшін. Заң пайдалылық компаниялары энергия сақтау, тиімділік және таратылған энергия ресурстары сияқты мәселелерді бағалауын талап етеді.