Децентрализованная генерация электроэнергии

Введение

Распределенная генерация, также известная как распределенная энергетика, генерация на месте (OSG) или районная/децентрализованная энергия, представляет собой производство и хранение электроэнергии, осуществляемое различными небольшими устройствами, подключенными к сети или распределительной системе, именуемыми распределенными энергетическими ресурсами (DER). Традиционные электростанции, такие как угольные, газовые и атомные, а также гидроэлектростанции и крупномасштабные солнечные электростанции, являются централизованными и часто требуют передачи электроэнергии на большие расстояния. В отличие от них, системы DER являются децентрализованными, модульными и более гибкими технологиями, расположенными вблизи потребителей энергии, хотя их мощность обычно не превышает 10 мегаватт (МВт). Эти системы могут включать в себя несколько компонентов генерации и хранения; в этом случае они называются гибридными энергосистемами. Системы DER обычно используют возобновляемые источники энергии, включая малую гидроэнергетику, биомассу, биогаз, солнечную энергию, энергию ветра и геотермальную энергию, и играют все более важную роль в системе распределения электроэнергии. Устройство для хранения электроэнергии, подключенное к сети, также может быть классифицировано как система DER и часто называется распределенной системой накопления энергии (DESS). С помощью интерфейса системы DER могут управляться и координироваться в рамках интеллектуальной сети. Распределенная генерация и хранение позволяют собирать энергию из множества источников, снижать воздействие на окружающую среду и повышать надежность энергоснабжения. Одной из основных проблем интеграции DER, таких как солнечная и ветровая энергия, является непредсказуемость этих источников электроэнергии. Эта непредсказуемость может вызывать ряд проблем в распределительной системе: (i) она усложняет соотношение между спросом и предложением, требуя сложных инструментов оптимизации для балансировки сети, (ii) она создает дополнительную нагрузку на сеть передачи, и (iii) может приводить к обратному потоку мощности от распределительной системы к системе передачи. Микросети – это современные локальные сети малого масштаба, в отличие от традиционной централизованной электросети (макросети). Микросети могут отключаться от централизованной сети и работать автономно, повышая устойчивость сети и снижая последствия сетевых сбоев. Они обычно представляют собой низковольтные сети переменного тока, часто используют дизельные генераторы и устанавливаются сообществами, которые они обслуживают. В микросетях все чаще используется сочетание различных распределенных энергетических ресурсов, таких как солнечные гибридные энергосистемы, что значительно сокращает выбросы углерода.

Distributed generation, also distributed energy, on site generation (OSG), or district/decentralized energy, is electrical generation and storage performed by a variety of small, grid connected or distribution system connected devices referred to as distributed energy resources (DER). Conventional power stations, such as coal fired, gas, and nuclear powered plants, as well as hydroelectric dams and large scale solar power stations, are centralized and often require electric energy to be transmitted over long distances. By contrast, DER systems are decentralized, modular, and more flexible technologies that are located close to the load they serve, albeit having capacities of only 10 megawatts (MW) or less. These systems can comprise multiple generation and storage components; in this instance, they are referred to as hybrid power systems. DER systems typically use renewable energy sources, including small hydro, biomass, biogas, solar power, wind power, and geothermal power, and increasingly play an important role for the electric power distribution system. A grid connected device for electricity storage can also be classified as a DER system and is often called a distributed energy storage system (DESS). By means of an interface, DER systems can be managed and coordinated within a smart grid. Distributed generation and storage enables the collection of energy from many sources and may lower environmental impacts and improve the security of supply. One of the major issues with the integration of the DER such as solar power, wind power, etc. is the uncertain nature of such electricity resources. This uncertainty can cause a few problems in the distribution system: (i) it makes the supply demand relationships extremely complex, and requires complicated optimization tools to balance the network, and (ii) it puts higher pressure on the transmission network, and (iii) it may cause reverse power flow from the distribution system to transmission system. Microgrids are modern, localized, small scale grids, contrary to the traditional, centralized electricity grid (macrogrid). Microgrids can disconnect from the centralized grid and operate autonomously, strengthen grid resilience, and help mitigate grid disturbances. They are typically low voltage AC grids, often use diesel generators, and are installed by the community they serve. Microgrids increasingly employ a mixture of different distributed energy resources, such as solar hybrid power systems, which significantly reduce the amount of carbon emitted.

Паритет сети

Паритет с сетью достигается, когда альтернативный источник энергии способен генерировать электроэнергию по удельной стоимости (LCOE), не превышающей розничную цену для конечного потребителя. Достижение паритета с сетью рассматривается как точка, в которой источник энергии становится конкурентоспособным для широкого распространения без субсидий или государственной поддержки. С 2010-х годов паритет с сетью для солнечной и ветровой энергии стал реальностью на растущем числе рынков, включая Австралию, ряд европейских стран и некоторые штаты США.

Когенерация

Распределенные источники когенерации используют паровые турбины, топливные элементы на природном газе, микротурбины или двигатели внутреннего сгорания для привода генераторов. Горячие выхлопные газы затем используются для отопления помещений или воды, либо для привода абсорбционной холодильной машины для охлаждения, например, для кондиционирования воздуха. Помимо схем, основанных на природном газе, проекты распределенной энергетики могут также включать другие возобновляемые или низкоуглеродные виды топлива, такие как биотопливо, биогаз, газ с полигонов ТБО, газ из канализационных стоков, метан угольных пластов, синтез-газ и попутный нефтяной газ. Консультанты Delta ee заявили в 2013 году, что микро-ТЭЦ на топливных элементах, с долей 64% мировых продаж, обогнали традиционные системы по объему продаж в 2012 году. В 2012 году в рамках проекта Ene Farm в Японии было продано в общей сложности 20 000 единиц. Учитывая срок службы около 60 000 часов для блоков топливных элементов PEM, которые отключаются на ночь, это соответствует расчетному сроку службы от десяти до пятнадцати лет при цене 22 600 долларов США до установки. В 2013 году предусмотрена государственная субсидия на 50 000 единиц. В последние годы технология фотоэлектрических панелей улучшила эффективность преобразования солнечного света в электроэнергию, снизила стоимость установки на ватт, а также время энергетической окупаемости (EPBT) и выровненную стоимость электроэнергии (LCOE) и достигла паритета с сетевой стоимостью как минимум на 19 различных рынках в 2014 году. Как и большинство возобновляемых источников энергии, в отличие от угля и атомной энергии, солнечная фотоэлектрическая энергия является переменной и не регулируемой, но не требует затрат на топливо, не производит выбросов и значительно снижает риски, связанные с безопасностью добычи и эксплуатации. Максимальная мощность достигается примерно в полдень каждый день, а коэффициент использования установленной мощности составляет около 20 процентов.

Энергия ветра

Ветровые турбины могут быть как распределёнными источниками энергии, так и строиться в масштабе крупных энергосистем. Они характеризуются низкими затратами на обслуживание и низким уровнем загрязнения, однако распределённая ветроэнергетика, в отличие от ветроэнергетики крупного масштаба, обходится значительно дороже других источников энергии. Как и солнечная энергия, энергия ветра непостоянна и не подлежит регулированию. Ветровые башни и генераторы сопряжены со значительными страховыми рисками, вызванными сильными ветрами, но при этом обеспечивают высокий уровень безопасности эксплуатации. Распределённая генерация в гибридных ветроэнергетических системах объединяет ветроэнергетику с другими распределёнными источниками энергии. Примером является интеграция ветровых турбин в солнечные гибридные энергосистемы, поскольку ветроэнергетика дополняет солнечную, так как пиковые периоды работы этих систем приходятся на разное время суток и года.

Гидроэнергия

Гидроэлектроэнергия – наиболее распространенная форма возобновляемой энергии, и ее потенциал уже в значительной степени изучен или ограничен такими проблемами, как воздействие на окружающую среду на рыбные ресурсы и растущий спрос на рекреационный доступ. Однако использование современных технологий XXI века, таких как энергия волн, может открыть доступ к значительным новым мощностям гидроэнергетики с минимальным воздействием на окружающую среду. Модульные и масштабируемые турбины кинетической энергии нового поколения могут быть развернуты массивами для обеспечения потребностей жилых, коммерческих, промышленных, муниципальных и даже региональных масштабов. Микрогидрокинетические генераторы не требуют строительства плотин или водохранилищ, поскольку используют кинетическую энергию движения воды – волн или течения. Строительство на береговой линии или морском дне не требуется, что минимизирует воздействие на среду обитания и упрощает процедуру получения разрешений. Такая генерация электроэнергии также оказывает минимальное воздействие на окружающую среду, а нетрадиционные микрогидроустановки могут быть прикреплены к существующим сооружениям, таким как причалы, пирсы, опоры мостов или аналогичные конструкции.

Переработка отходов в энергию

Муниципальные твердые отходы (МСО) и природные отходы, такие как осадок сточных вод, пищевые отходы и навоз, будут разлагаться и выделять содержащий метан газ, который можно собирать и использовать в качестве топлива в газовых или микротурбинах для производства электроэнергии как распределенного источника энергии. Кроме того, калифорнийская компания Gate 5 Energy Partners, Inc. разработала процесс, преобразующий природные отходы, такие как осадок сточных вод, в биотопливо, которое можно сжигать для привода паровой турбины, вырабатывающей электроэнергию. Эта электроэнергия может использоваться вместо сетевой электроэнергии непосредственно у источника отходов (например, на очистных сооружениях, фермах или молочных комплексах).

Хранение энергии

Распределенный энергетический ресурс не ограничивается выработкой электроэнергии, но может также включать в себя устройство для хранения распределенной энергии (DE). Распределенные системы хранения энергии (DESS) включают в себя различные типы аккумуляторов, гидроаккумулирующие электростанции, системы хранения энергии на основе сжатого воздуха и тепловые накопители энергии. Однако литий-ионные батареи, такие как Tesla Powerwall, обладают потенциалом заменить свинцово-кислотные батареи в ближайшем будущем, поскольку их активно разрабатывают и ожидается снижение цен благодаря эффекту масштаба, обеспечиваемому крупными производственными мощностями, такими как Gigafactory 1. Кроме того, литий-ионные батареи подключаемых электромобилей могут служить устройствами хранения энергии в будущем, поскольку большинство автомобилей простаивают в среднем 95% времени, и их батареи можно использовать для передачи электроэнергии от автомобиля в электросети и обратно. Среди других перезаряжаемых батарей, рассматриваемых для распределенных фотоэлектрических систем, – натрий-серные и ванадиевые редокс-батареи, являющиеся представителями расплавленных солевых и проточных батарей соответственно. Сеть электромобилей потенциально может функционировать как DESS.

Маховики

Усовершенствованная система накопления энергии с помощью маховика (FES) накапливает электроэнергию, генерируемую распределенными источниками, в форме угловой кинетической энергии, раскручивая ротор (маховик) до очень высокой скорости – примерно от 20 000 до более 50 000 об/мин – в вакуумном корпусе. Маховики способны быстро реагировать, поскольку накапливают и возвращают электроэнергию в сеть за считанные секунды.

Интеграция с сетью

По соображениям надежности распределенные источники генерации будут подключены к той же передающей сети, что и централизованные электростанции. При интеграции этих ресурсов в сеть возникают различные технические и экономические вопросы. Технические проблемы возникают в областях качества электроэнергии, стабильности напряжения, гармоник, надежности, защиты и управления. Необходимо изучить поведение защитных устройств в сети для всех комбинаций распределенной и централизованной генерации. Масштабное внедрение распределенной генерации может повлиять на общесетевые функции, такие как регулирование частоты и распределение резервов. В результате в сеть добавляются функции интеллектуальной сети, виртуальные электростанции и системы накопления энергии в сети, такие как станции преобразования электроэнергии в газ. Возникают конфликты между энергоснабжающими компаниями и организациями, управляющими ресурсами. Каждый источник распределенной генерации имеет свои собственные проблемы интеграции. Солнечная фотоэлектрическая и ветровая энергия характеризуются непостоянством и непредсказуемостью выработки, что создает множество проблем для стабильности напряжения и частоты. Эти проблемы с напряжением влияют на механическое оборудование сети, такое как регуляторы напряжения под нагрузкой, которые реагируют слишком часто и изнашиваются гораздо быстрее, чем предполагалось. Кроме того, при отсутствии каких-либо систем накопления энергии в периоды высокой солнечной генерации, компании вынуждены быстро наращивать выработку примерно во время захода солнца, чтобы компенсировать потерю солнечной генерации. Эта высокая скорость изменения нагрузки приводит к формированию так называемой "кривой утки", которая представляет собой серьезную проблему для операторов сети в будущем. Накопление энергии может решить эти проблемы, если его удастся реализовать. Маховики показали отличные результаты в регулировании частоты. Кроме того, маховики обладают высокой цикличностью по сравнению с батареями, то есть сохраняют ту же энергию и мощность после значительного количества циклов (порядка 10 000 циклов). Батареи кратковременного использования, при достаточном масштабе применения, могут помочь сгладить "кривую утки" и предотвратить колебания использования генераторов, а также поддерживать профиль напряжения. Однако стоимость является основным ограничивающим фактором для накопления энергии, поскольку каждая технология слишком дорога для массового производства и относительно не энергоемка по сравнению с жидким ископаемым топливом. Наконец, еще одним необходимым методом содействия интеграции фотоэлектрических установок для обеспечения надлежащей распределенной генерации является использование интеллектуальных гибридных инверторов. Интеллектуальные гибридные инверторы накапливают энергию, когда выработка превышает потребление. При высоком потреблении эти инверторы обеспечивают электроэнергией, снижая нагрузку на распределительную сеть. Другой подход не требует интеграции в сеть: автономные гибридные системы.

For reasons of reliability, distributed generation resources would be interconnected to the same transmission grid as central stations. Various technical and economic issues occur in the integration of these resources into a grid. Technical problems arise in the areas of power quality, voltage stability, harmonics, reliability, protection, and control. Behavior of protective devices on the grid must be examined for all combinations of distributed and central station generation. A large scale deployment of distributed generation may affect grid wide functions such as frequency control and allocation of reserves. As a result, smart grid functions, virtual power plants and grid energy storage such as power to gas stations are added to the grid. Conflicts occur between utilities and resource managing organizations. Each distributed generation resource has its own integration issues. Solar PV and wind power both have intermittent and unpredictable generation, so they create many stability issues for voltage and frequency. These voltage issues affect mechanical grid equipment, such as load tap changers, which respond too often and wear out much more quickly than utilities anticipated. Also, without any form of energy storage during times of high solar generation, companies must rapidly increase generation around the time of sunset to compensate for the loss of solar generation. This high ramp rate produces what the industry terms the duck curve that is a major concern for grid operators in the future. Storage can fix these issues if it can be implemented. Flywheels have shown to provide excellent frequency regulation. Also, flywheels are highly cyclable compared to batteries, meaning they maintain the same energy and power after a significant amount of cycles( on the order of 10,000 cycles). Short term use batteries, at a large enough scale of use, can help to flatten the duck curve and prevent generator use fluctuation and can help to maintain voltage profile. However, cost is a major limiting factor for energy storage as each technique is prohibitively expensive to produce at scale and comparatively not energy dense compared to liquid fossil fuels. Finally, another necessary method of aiding in integration of photovoltaics for proper distributed generation is in the use of intelligent hybrid inverters. Intelligent hybrid inverters store energy when there is more energy production than consumption. When consumption is high, these inverters provide power relieving the distribution system. Another approach does not demand grid integration: stand alone hybrid systems.

Смягчение напряжения и частоты в интеграции ГД

Были предприняты некоторые усилия по смягчению проблем с напряжением и частотой, вызванных расширением использования распределенной генерации (DG). Наиболее заметно, стандарт IEEE 1547 определяет требования к подключению и взаимодействию распределенных энергетических ресурсов. В IEEE 1547 установлены специальные кривые, определяющие момент отключения при возникновении неисправности в зависимости от времени после возмущения и величины отклонения напряжения или частоты. Проблемы с напряжением также предоставляют возможность устаревшему оборудованию выполнять новые функции. В частности, инверторы могут регулировать выходное напряжение распределенной генерации. Изменение импеданса инвертора может влиять на колебания напряжения DG, что означает, что инверторы способны управлять выходным напряжением DG. Для снижения влияния интеграции DG на механическое оборудование сети, трансформаторы и регуляторы напряжения под нагрузкой могут использовать специальные характеристики переключения отводов в зависимости от напряжения, смягчающие воздействие отклонений напряжения, вызванных DG. Иными словами, регуляторы напряжения под нагрузкой реагируют на колебания напряжения, которые длятся дольше, чем колебания, создаваемые оборудованием DG.

Автономные гибридные системы

Теперь стало возможным объединять такие технологии, как фотоэлектричество, аккумуляторы и когенерация для создания автономных распределённых систем генерации. Недавние исследования показали, что стоимость электроэнергии для таких систем имеет низкий усреднённый показатель. Многие эксперты полагают, что эти технологии могут привести к массовому отказу от централизованной сети, поскольку потребители могут производить электроэнергию, используя автономные системы, состоящие преимущественно из солнечных фотоэлектрических установок. Например, Институт Скалистых гор предполагает возможность широкомасштабного отключения от сети. Это подтверждается исследованиями, проведёнными в Среднезападном регионе.

Факторы затрат

Когенераторы также обходятся дороже за ватт по сравнению с централизованными генераторами. Они предпочтительны, поскольку большинство зданий уже используют топливо, а когенерация позволяет извлечь из него больше пользы. Местное производство не имеет потерь электроэнергии в линиях электропередач на большие расстояния или потерь энергии из-за эффекта Джоуля в трансформаторах, где в целом теряется 8–15% энергии (см. также стоимость электроэнергии в зависимости от источника). Некоторые крупные установки используют комбинированный цикл генерации. Обычно это газовая турбина, отходящие газы которой используются для кипячения воды для паровой турбины в цикле Ранкина. Конденсатор парового цикла обеспечивает тепло для отопления помещений или абсорбционного чиллера. Комбинированные электростанции с когенерацией обладают самой высокой известной тепловой эффективностью, часто превышающей 85%. В странах с газораспределительными сетями высокого давления небольшие турбины могут использоваться для снижения давления газа до бытового уровня с одновременным извлечением полезной энергии. Если бы Великобритания внедрила это повсеместно, стало бы доступно дополнительно 2,4 ГВт. (Следует отметить, что энергия уже вырабатывается в другом месте для обеспечения высокого начального давления газа – этот метод просто распределяет энергию другим способом.)

Связь в системах DER

IEC 61850-7-420 опубликован техническим комитетом IEC TC 57: Управление энергосистемами и сопутствующий обмен информацией. Это один из стандартов серии IEC 61850, некоторые из которых являются ключевыми для реализации интеллектуальных энергосистем. В нем используются коммуникационные сервисы, сопоставленные с MMS в соответствии со стандартом IEC 61850-8-1. OPC также используется для обмена данными между различными элементами системы распределенных энергетических ресурсов (DER). Стандарт микросетевого контроллера IEEE 2030.7 разработан Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE). Эта концепция базируется на четырех блоках: а) управление на уровне устройств (например, управление напряжением и частотой), б) управление локальной областью (например, передача данных), в) вышестоящий (программный) контроллер (например, перспективное планирование оптимальной диспетчеризации генерирующих мощностей и нагрузки), и г) сетевой уровень (например, связь с энергоснабжающей организацией). Существует большое разнообразие сложных алгоритмов управления, что затрудняет внедрение систем управления и контроля энергией для малых и бытовых пользователей распределенных энергетических ресурсов (DER). Особенно дорогостоящей может оказаться модернизация коммуникаций и систем сбора и обработки данных. Поэтому некоторые проекты стремятся упростить управление DER, используя готовые решения и сделать их доступными для широкого круга потребителей (например, с использованием Raspberry Pi).

Правовые требования к распределенной генерации

В 2010 году в Колорадо был принят закон, требующий, чтобы к 2020 году 3% электроэнергии, производимой в Колорадо, вырабатывалось с использованием распределенной генерации. 11 октября 2017 года губернатор Калифорнии Джерри Браун подписал закон SB 338, обязывающий коммунальные компании планировать "безуглеродные альтернативы газовой генерации" для удовлетворения пикового спроса. Закон требует от коммунальных предприятий оценивать вопросы, связанные с накоплением энергии, энергоэффективностью и распределенными энергетическими ресурсами.