Введение
Пиковые электростанции, также известные как пиковые установки, и иногда просто "пики", – это электростанции, которые обычно работают только при высоком спросе на электроэнергию, известном как пиковый спрос. Поскольку они обеспечивают электроэнергией лишь периодически, стоимость электроэнергии, поставляемой ими, значительно выше за киловатт-час, чем стоимость электроэнергии базовой нагрузки. Пиковые электростанции работают в сочетании с электростанциями базовой нагрузки, которые обеспечивают надежный и стабильный объем электроэнергии для удовлетворения минимального спроса. Хотя исторически пиковые электростанции часто использовались совместно с угольными электростанциями базовой нагрузки, сейчас они используются реже. Газотурбинные установки комбинированного цикла имеют два или более цикла, первый из которых очень похож на пиковую установку, а второй работает на отработанном тепле первого. Этот тип электростанции часто способен быстро запускаться, хотя и с пониженной эффективностью, а затем в течение нескольких часов переходить в более эффективный режим генерации базовой нагрузки. Комбинированные установки имеют сопоставимую капитальную стоимость на ватт с пиковыми электростанциями, но работают гораздо дольше, потребляют меньше топлива и, следовательно, производят более дешевую электроэнергию. По состоянию на 2020 год стоимость электроэнергии, производимой газовыми турбинами открытого цикла, составляет около 151–198 долларов США за МВт·ч. В некоторых местах пиковые установки заменяются аккумуляторными батареями. Управление энергетики штата Нью-Йорк (NYPA) стремится заменить газовые пиковые установки аккумуляторными батареями: 142 Tesla Megapack (мощностью 100 МВт) заменили газовую пиковую установку в округе Вентура, штат Калифорния, а в городе Лессин, Бельгия, 40 Tesla Megapack (мощностью 50 МВт) заменили турбореактивный генератор. Австралийский Совет по чистой энергии в апреле 2021 года установил, что хранение энергии в аккумуляторных батареях может быть на 30% дешевле, чем использование газовых пиковых установок.
Peaking power plants, also known as peaker plants, and occasionally just "peakers", are power plants that generally run only when there is a high demand, known as peak demand, for electricity. Because they supply power only occasionally, the power supplied commands a much higher price per kilowatt hour than base load power. Peak load power plants are dispatched in combination with base load power plants, which supply a dependable and consistent amount of electricity, to meet the minimum demand. Although historically peaking power plants were frequently used in conjunction with coal baseload plants, peaking plants are now used less commonly. Combined cycle gas turbine plants have two or more cycles, the first of which is very similar to a peaking plant, with the second running on the waste heat of the first. That type of plant is often capable of rapidly starting up, albeit at reduced efficiency, and then over some hours transitioning to a more efficient baseload generation mode. Combined cycle plants have similar capital cost per watt to peaking plants, but run for much longer periods, and use less fuel overall, and hence give cheaper electricity. As of 2020, open cycle gas turbines give an electricity cost of around $151–198/MWh. Peaker plants have been replaced with battery storage in some places. The New York Power Authority (NYPA) is seeking to replace gas peaker plants with battery storage, 142 Tesla Megapacks (providing 100 MW) replaced a gas peaker plant in Ventura County, California and in Lessines, Belgium 40 Tesla Megapacks (50 MW) replaced a turbojet generator. Australia's Clean Energy Council found in April 2021 that battery storage can be 30% cheaper than gas peaker plants.
Пиковые часы
Пик нагрузки обычно приходится на утро или поздний день/вечер, в зависимости от местоположения. В умеренном климате пик нагрузки часто возникает вечером после окончания рабочего дня, когда активно используется бытовая техника. В жарком климате пик нагрузки обычно приходится на поздний день, когда высока нагрузка от кондиционеров, и в это время многие предприятия все еще работают и потребляют электроэнергию. В холодном климате пик нагрузки приходится на утро, когда одновременно запускаются системы отопления и промышленные предприятия. Пиковая электростанция может работать много часов в день или всего несколько часов в год, в зависимости от состояния региональной электросети. Ввиду высокой стоимости строительства эффективной электростанции, если пиковая электростанция будет работать лишь короткое время или с большой вариативностью, экономически нецелесообразно делать ее столь же эффективной, как электростанцию базовой нагрузки. Более того, оборудование и топливо, используемые на электростанциях базовой нагрузки, часто не подходят для пиковых электростанций из-за того, что переменные условия сильно изнашивают оборудование. По этим причинам атомные электростанции, установки по переработке отходов в энергию, угольные и биомассовые электростанции редко, если вообще, используются в качестве пиковых электростанций.
Возобновляемая энергия
По мере того, как страны отказываются от базовых электростанций, работающих на ископаемом топливе, и переходят к возобновляемым, но непостоянным источникам энергии, таким как ветер и солнце, растет и потребность в системах накопления энергии для электросетей, как в возобновляемой альтернативе строительству пиковых или маневренных электростанций. Другой вариант – более широкое распределение генерирующих мощностей за счет использования межсетевых соединений, таких как пути WECC Intertie Paths.
Типы
Пикерные установки обычно представляют собой газовые турбины или газовые двигатели, работающие на природном газе. Некоторые используют биогаз или жидкости, полученные из нефти, такие как дизельное топливо и авиакеросин, но они, как правило, дороже природного газа, поэтому их применение ограничено районами, не обеспеченными газоснабжением. Помимо природного газа, многие пикерные установки могут использовать нефть в качестве резервного топлива, храня её в резервуарах на территории. Термодинамический КПД газотурбинных электростанций с простым циклом составляет от 20 до 42%, при этом для новых установок средний показатель находится в диапазоне от 30 до 42%. Для повышения эффективности в выхлопной тракт добавляется утилизатор тепла (HRSG). Такая установка называется комбинированным циклом. Когенерация использует отходящее тепло для технологических нужд, централизованного теплоснабжения или других целей отопления. Оба этих варианта применяются только на установках, предназначенных для работы в течение более длительного периода времени, чем обычно. Газопоршневые и дизель-генераторные установки иногда используются для поддержки энергосистемы, применяя небольшие мощности. Другой способ повышения эффективности и мощности газовых турбин – установка системы охлаждения воздуха на входе, которая снижает температуру входящего воздуха и увеличивает массовый расход. В сочетании с аккумулирующим резервуаром тепловой энергии этот вариант может увеличить мощность турбины в пиковые периоды до 30%. Гидроэлектростанции намеренно характеризуются переменной выработкой. Они могут снижать генерацию в периоды вне пика и быстро реагировать на пиковые нагрузки, поэтому гидроэлектростанция может функционировать как установка, следующая за нагрузкой, или пикерная установка, а при достаточном запасе воды – как установка базовой нагрузки. Газовые турбины или гидроаккумулирующие электростанции часто используются там, где недостаточно гидроэнергии для реагирования на ежедневные и недельные колебания генерации и потребления. Не редкость, когда плотину строят с избыточной мощностью по сравнению с обеспеченностью водоснабжения, что позволяет достичь более высокой пиковой мощности. Модернизация оборудования на существующих плотинах может быть одним из наиболее экономичных способов увеличения пиковой генерации. Возможность регулирования вырабатываемой электроэнергии часто ограничена необходимостью соблюдения минимальных или максимальных расходов воды ниже по течению. Гидроаккумулирующие электростанции обладают наибольшей в сети мощностью для хранения энергии, используемой для сглаживания пиковых и минимальных нагрузок. На площадке энергия накапливается за счет потенциальной энергии воды, хранящейся в резервуаре. Дешевая электроэнергия в периоды вне пика, получаемая от установок базовой нагрузки или возобновляемых источников, используется для перекачки воды с нижнего уровня на верхний уровень в резервуар. В периоды высокого спроса на электроэнергию накопленная вода выпускается через турбины для производства электроэнергии. Время запуска составляет всего несколько минут, а некоторые установки могут запускаться за несколько десятков секунд. Аккумуляторные батареи в некоторых случаях используются для сглаживания колебаний, избегая дорогостоящей модернизации линий электропередач, а также для обеспечения пиковой мощности и других сетевых услуг, таких как оперативный резерв, иногда в гибридных конфигурациях с турбинами или дизельными двигателями. Аккумуляторные батареи обладают самой быстрой реакцией среди всех электростанций и могут реагировать на изменения в сети в миллисекундных масштабах, давая более медленному оборудованию возможность отреагировать на аварийные ситуации. Гидроаккумулирующие электростанции и аккумуляторные батареи являются чистыми потребителями, поскольку не имеют собственного источника энергии, а преобразование между электричеством и хранением энергии сопровождается некоторыми потерями. В 2017 году были предложены солнечные тепловые пикерные установки в рамках программы Министерства энергетики США "Технология 2 на рынок", получившие награду, присужденную Хэнку Прайсу из SolarDynamics. В его статье "Dispatchable Solar Power Plant" предлагалось использовать накопление тепловой энергии, присущее солнечной тепловой электростанции, что позволит этой тепловой форме солнечной энергии генерировать энергию как газовая пикерная установка, поставляя электроэнергию по требованию днем и ночью, и получать оплату за доступность мощности, как традиционная пикерная установка. Солнечная тепловая электростанция вырабатывает электроэнергию в паротурбинной установке, как традиционная электростанция, но тепло для пара обеспечивается солнечной энергией, нагревающей материал, такой как расплавленные соли, и сохраняющей тепло до момента его использования для производства пара.
Электростанции с базовой нагрузкой
Экономичная система электроснабжения также будет включать электростанции базовой нагрузки. Эти генерирующие установки будут ориентированы на низкую предельную стоимость топлива, но могут потребовать больших капитальных вложений для повышения эффективности. Например, пиковая электростанция может использовать только газовую турбину, в то время как электростанция базовой нагрузки может дополнительно использовать паровой "нижний цикл" для улучшения общего расхода топлива на единицу произведенной электроэнергии. Ядерные и угольные электростанции обычно работают непрерывно, останавливаясь только для технического обслуживания или при внезапных отключениях. Низкая предельная стоимость топлива ядерных электростанций в сочетании с высокими капитальными затратами делает их наиболее экономичными для обеспечения базовой нагрузки. Гидроэлектростанции с небольшими ограничениями по водоснабжению могут использоваться для базовой нагрузки, поскольку их предельная стоимость топлива равна нулю. Поскольку электростанции, работающие на паровом цикле, могут требовать несколько часов для перехода от холодного резерва к полной мощности, они обычно не используются для покрытия пиковой нагрузки. Электростанции средней нагрузки, такие как гидроэлектростанции, работают между этими крайностями, снижая свою выработку в ночное время и в выходные дни, когда спрос низкий. Электростанции базовой и средней нагрузки используются преимущественно для удовлетворения спроса на электроэнергию, поскольку более низкая эффективность пиковых электростанций делает их эксплуатацию более дорогой.