Управление энергоспросом: как это можно сделать в Украине

В последние годы в энергетическом балансе Украины на гидроэнергетику приходится 6–8% от общего производства электроэнергии (в зависимости от количества осадков и водности рек). К 2025 г. в Украине построят ряд гидроэлектростанций (ГЭС) и гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) на Днепре и Днестре. Планируется реализовать шесть крупных инвестиционных проектов общей стоимостью 1,5 млрд долл. Но вопрос даже не в реальности этих планов, а в последствиях их реализации для нас самих и для речного фонда страны.

Строительство плотинных ГЭС и ГАЭС всегда несет риск экологических и техногенных катастроф. В этом году проток воды в Днепре снизился до исторически рекордно низкого уровня. Не станут ли эти плотины в дальнейшем избыточными? Кроме того, строительство новых ГЭС и ГАЭС не решит в полном объеме проблему выравнивания графика нагрузки энергосистемы Украины.

Несмотря на излишки базовых мощностей в энергосистеме страны, существует острая нехватка регулирующих и маневренных мощностей. Используемые с этой целью генерирующие тепловые электрические станции (ТЭС) и гидроэлектростанции находятся на пределе своих возможностей. Мощностей ГАЭС недостаточно, чтобы восполнить провал в графике нагрузок в ночной период. Кроме того, технические характеристики систем регулирования существующего оборудования не всегда способны обеспечить поддержку частоты в пределах действующих норм 50±0,1 Гц, не говоря о норме 50±0,02 Гц согласно требованиям энергосистемы Европы (UCTE), куда мы так решительно стремимся. А без соблюдения этой нормы мы не сможем присоединиться к UCTE и отсоединиться от объединенной энергосистемы России.

Решение проблемы дефицита регулирующих и маневренных мощностей за счет реконструкции основного оборудования ТЭС, реконструкции и строительства новых мощностей ГЭС, ГАЭС требует значительных объемов финансовых инвестиций. Однако эту проблему можно решить на порядок меньшими инвестиционными вложениями и за сравнительно короткий срок - с помощью управляемых потребителей-регуляторов.

Способ выравнивания графика нагрузки энергосистемы с помощью потребителей-регуляторов, способных к ограничению или переносу части своей электрической нагрузки с одного времени суток на другое (при суточном регулировании), является одним из самых распространенных способов во всех энергосистемах. Это может быть нагрузка промышленных предприятий, где технологические особенности производства позволяют снижать или увеличивать нагрузку на некоторое время, переносить ее с одного времени на другое.

В коммунальном хозяйстве к таким потребителям-регуляторам можно отнести насосные, закачивающие воду в баки-аккумуляторы, артезианские скважины с резервуарами-накопителями, скважины с водонапорными башнями. При установке преобразователей частоты на электродвигателях насосов этих установок они становятся управляемыми.

Особое место могут занять установки нагрева воды электроэнергией. При замене централизованного горячего водоснабжения (ГВС) и переходе на нагрев воды электроэнергией таких установок может быть очень много, а их суммарная мощность может достигать значительной величины. Только для г. Харькова суммарная максимальная мощность нагрева в ночной период составит не менее 600–700 МВт. Это мощный управляемый потребитель-регулятор. Для сравнения: мощность ГАЭС Украины (расчетный КПД 75–80%) колеблется при закачке от 500 до 1000 МВт.

По предварительным расчетам, стоимость (в ценах до 2013 г.) капитальных вложений для перехода на нагрев воды электроэнергией в среднем составит 1200–1500 грн/кВт. Стоимость проектируемой Каневской ГАЭС мощностью 1000 МВт без учета строительства линий электропередачи, трансформаторных подстанций и инфраструктуры (в ценах до 2013 г.), оценивалась в 16000–17000 грн/кВт. Строительство Каневской ГАЭС рассчитывалось на пять лет при сроке окупаемости - десять лет.

Модульные установки нагрева воды вводятся в работу за несколько дней, а срок окупаемости, по упрощенным расчетам, не превышает двух лет.

Их достоинствами является и то, что это активная нагрузка, установки эти не сосредоточены в одном месте, а разнесены по большим городам, расположенным, как правило, возле крупных электростанций по всей территории Украины. Следовательно, не требуется строительство новых линий электропередачи и значительные изменения в существующую систему электроснабжения.

Централизованное горячее водоснабжение, предложенное в середине прошлого века, когда были совершенно другие технические возможности, с появлением квартирных электроводонагревателей уже не актуально. Сегодня оно убыточно и дотационно, отслужило свое и требует замены. Это зло для системы централизованного ГВС. Многие города и поселки, не предложив альтернативы, отключили горячее водоснабжение. Люди вынужденно перешли на квартирные электробойлеры. Это привело к другим проблемам - перегрузке внутридомовой электропроводки, кабельных линий, водопроводных сетей, увеличению пиковой нагрузки энергосистемы, - а также создало неудобства для многих потребителей.

Этот процесс продолжается, остановить его невозможно, а его последствием может стать вопрос о целесообразности существования самой централизованной системы ГВС.

При переходе на модульные установки нагрева воды электроэнергией с закрытыми баками-аккумуляторами (напорными) или открытыми баками-аккумуляторами (безнапорными), где вода в баках заполняется и нагревается преимущественно в ночное время дешевой электроэнергией (по ночному тарифу), а затем раздается потребителям, электроэнергия как источник тепловой энергии становится конкурентной газу.

Логично спросить: достаточно ли будет мощностей в существующих электрических сетях для нагрева электроэнергией воды для ГВС?

Среднесуточная загруженность городских электрических сетей составляет 15–20% от установленной мощности, самых загруженных - 30–35%. Резерв мощности электрических сетей превышает 50–60%. Этого достаточно для перевода ГВС на электрический нагрев воды.

Чтобы перейти на электроэнергию в установках нагрева воды, используя резерв, необходимо регулировать мощность нагрева в зависимости от загруженности электрической сети. Например, если в три часа ночи в многоквартирном доме на нагрев воды разрешается потреблять 100 кВт, то уже в семь утра, когда электрическая нагрузка увеличивается, - только 20 кВт. Это позволит использовать резерв установленной мощности в городских сетях и не вносить существенных изменений в систему электроснабжения. Для этого не нужно увеличивать мощности на трансформаторных подстанциях (ТП) и сетевых подстанциях. Применение тиристорных регуляторов мощности (ТРМ) с управлением методом пропуска числа открытых и закрытых периодов синусоиды позволит изменять мощность нагрева за доли секунды, не вносить помехи в электросеть, плавно включать и отключать нагрузку.

В связи с развитием IT-технологий и современных систем связи появилась возможность управления мощностью тысяч и десятков тысяч потребителей электроэнергии.

Объединив управляемых потребителей-регуляторов в единую автоматизированную систему с применением IT-технологий, можно сделать их участниками процесса регулирования баланса активной мощности (частоты) в энергосистеме, выравнивания графика нагрузки и регулирования перетоков электроэнергии по магистральным сетям. Управлять ими можно как в ручном режиме с диспетчерского пункта энергосистемы, так и в автоматическом режиме на местном уровне.

Подобные технологии используются за рубежом. Это так называемое demand-side management, или управление спросом - комплекс мероприятий, направленных на снижение потребления, сглаживание пиковых нагрузок, выравнивание кривой спроса, что позволило некоторым странам отказаться от строительства дорогостоящих пиковых мощностей. Более того, в Украине есть it-компании, которые разрабатывают подобные технологии для энергокомпаний США.

Альтернативой строительства ГЭС и ГАЭС (ее части) в Украине может стать новое направление в энергетике Украины - demand-side management.

Неоднократное обращение в Минэнергоуглепром и Министерство регионального строительства и коммунального хозяйства с предложением решения проблемы дефицита регулирующих и маневренных мощностей заканчивалось или банальной отпиской, что для этого нет денег, или же порой абсурдными ответами. Одно министерство перекладывает решение этой задачи на другое. В то же время данное предложение получило положительную оценку в Институте электродинамики и общей энергетики НАН Украины, НКРЭ, ГП "НЭК "Укрэнерго", АК "Харьковоблэнерго" и "Харьковских тепловых сетях". Не знаю, что надо сделать, сколько необходимо написать статей, чтобы руководство этих министерств прислушалось, обратило внимание на решение проблемы и рассмотрело ее по сути.

***

От централизованного горячего водоснабжения как экономически неоправданного и дотационного необходимо отказаться и перейти на нагрев воды электроэнергией.

В качестве регулирующих и маневренных мощностей в энергосистеме Украины необходимо использовать управляемых потребителей-регуляторов с применением IT-технологий.

Выравнивание графика нагрузки, процесс покрытия пиковых нагрузок не может быть самопроизвольным, случайным процессом. Это постоянный процесс, требующий проведения целенаправленных мероприятий с соответствующим материальным и финансовым обеспечением. Участвовать в этом процессе должны все звенья этой цепочки: государство, энергосистема, потребители.