Управління енергопопитом: як це можна зробити в Україні

Останніми роками в енергетичному балансі України на гідроенергетику припадає 6–8% від загального виробництва електроенергії (залежно від кількості опадів і водності річок). До 2025 р. в Україні побудують ряд гідроелектростанцій (ГЕС) та гідроакумулюючих електростанцій (ГАЕС) на Дніпрі та Дністрі. Планується реалізувати шість великих інвестиційних проектів загальною вартістю 1,5 млрд дол. Але питання навіть не в реальності цих планів, а в наслідках їх реалізації для нас самих, а також для річкового фонду країни.

Будівництво гребельних ГЕС і ГАЕС завжди несе ризик екологічних і техногенних катастроф. Цього року протік води в Дніпрі знизився до рекордно низького рівня. Чи не стануть такі греблі надалі надлишковими? Крім того, будівництво нових ГЕС і ГАЕС не вирішить в повному обсязі проблеми вирівнювання графіка навантаження енергосистеми України.

Незважаючи на надлишки базових потужностей в енергосистемі країни, спостерігається гостра нестача регулюючих і маневрених потужностей. Використовувані з цією метою генеруючі теплові електричні станції (ТЕС) і гідроелектростанції перебувають на межі своїх можливостей. Потужностей ГАЕС недостатньо, щоб заповнити провал у графіку навантажень у нічний період. Крім того, технічні характеристики систем регулювання існуючого обладнання не завжди можуть забезпечити підтримку частоти в межах діючих норм 50±0,1 Гц, не кажучи про норму 50±0,02 Гц згідно з вимогами енергосистеми Європи (UCTE), куди ми так рішуче прагнемо. Без дотримання цієї норми ми не зможемо приєднатися до UCTE і від'єднатися від об'єднаної енергосистеми Росії.

Вирішення проблеми дефіциту регулюючих і маневрених потужностей за рахунок реконструкції основного обладнання ТЕС, реконструкції і будівництва нових потужностей ГЕС, ГАЕС вимагає значних фінансових інвестицій. Проте цю проблему можна вирішити на порядок меншими інвестиційними вкладеннями і за досить короткий строк - за допомогою керованих споживачів-регуляторів.

Спосіб вирівнювання графіка навантаження енергосистеми за допомогою споживачів-регуляторів, здатних до обмеження або перенесення частини свого електричного навантаження з одних годин доби на інші (при добовому регулюванні), є одним з найпоширеніших способів у всіх енергосистемах. Це може бути навантаження промислових підприємств, де технологічні особливості виробництва дозволяють знижувати або збільшувати навантаження на якийсь час, переносити його з одного часу на інший.

У комунальному господарстві до таких споживачів-регуляторів можна віднести насосні, які закачують воду в баки-акумулятори, артезіанські свердловини з резервуарами-накопичувачами, свердловини з водонапірними вежами. При впровадженні перетворювачів частоти на електродвигунах насосів цих установок вони стають керованими.

Особливе місце можуть посісти установки нагрівання води електроенергією. При заміні централізованого гарячого водопостачання (ГВП) і переході на нагрівання води електроенергією таких установок може бути дуже багато, а їх сумарна потужність може досягти значної величини. Тільки для м. Харкова сумарна максимальна потужність нагрівання в нічний період становитиме не менше 600–700 МВт. Це потужний керований споживач-регулятор. Для порівняння: потужність ГАЕС України (розрахунковий ККД 75–80%) коливається при накачуванні від 500 до 1000 МВт.

За попередніми розрахунками, вартість (у цінах до 2013 р.) капітальних вкладень для переходу на нагрівання води електроенергією в середньому становитиме 1200–1500 грн/кВт. Вартість проектованої Канівської ГАЕС потужністю 1000 МВт, без урахування будівництва ліній електропередачі, трансформаторних підстанцій та інфраструктури (у цінах до 2013 р.), оцінювалась у 16000–17000 грн/кВт. Будівництво Канівської ГАЕС розраховувалося на п'ять років, при строку окупності - десять років.

Модульні установки нагрівання води вводяться в роботу за кілька днів, а строк окупності (за спрощеними розрахунками) не перевищує двох років.

Їхніми перевагами є й те, що це активне навантаження, такі установки не зосереджені в одному місці, а рознесені по великих містах, розташованих, як правило, біля великих електростанцій по всій території України. Тож не знадобиться будівництво нових ліній електропередачі та внесення значних змін в існуючу систему електропостачання.

Централізоване гаряче водопостачання, запропоноване в середині минулого століття, коли були зовсім інші технічні можливості, з появою квартирних електроводонагрівачів втратило актуальність. Сьогодні воно збиткове й дотаційне, відслужило своє і вимагає заміни. Це зло для системи централізованого ГВП. Багато міст і сіл, не запропонувавши альтернативи, відключили гаряче водопостачання. Люди вимушено перейшли на квартирні електробойлери. Це призвело до інших проблем - перевантаження внутрішнбудинкової електропроводки, кабельних ліній, водогінних мереж, збільшення пікового навантаження енергосистеми, - а також створило для багатьох споживачів незручності.

Цей процес триває, зупинити його неможливо, а його наслідком може стати питання про доцільність існування самої централізованої системи ГВП.

При переході на модульні установки нагрівання води електроенергією із закритими баками-акумуляторами (напірними) або відкритими баками-акумуляторами (безнапірними), де вода в баках заповнюється й нагрівається переважно в нічний час дешевою електроенергією (за нічним тарифом), а потім роздається споживачам, електроенергія як джерело теплової енергії стає конкурентною газу.

Логічно запитати: чи достатньо буде потужностей в існуючих електричних мережах для нагрівання електроенергією води для ГВП?

Середньодобова завантаженість міських електричних мереж становить 15–20% від установленої потужності, найбільш завантажених - 30–35%. Резерв потужності електричних мереж перевищує 50–60%. Цього достатньо для переведення ГВП на електричне нагрівання води.

Щоб перейти на електроенергію в установках нагрівання води, використовуючи резерв, необхідно регулювати потужність нагрівання залежно від завантаженості електричної мережі. Наприклад, якщо о третій годині ночі в багатоквартирному будинку дозволяється споживати на нагрівання води 100 кВт, то вже о сьомій ранку, коли електричне навантаження збільшується, - тільки 20 кВт. Це дозволить використовувати резерв установленої потужності в міських мережах і не вносити істотних змін у систему електропостачання. Для цього не потрібно збільшувати потужності на трансформаторних підстанціях (ТП) і мережевих підстанціях. Застосування тиристорних регуляторів потужності (ТРП) з управлінням методом пропуску числа відкритих і закритих періодів синусоїди дозволить змінювати потужність нагрівання за долі секунди, не вносити перешкод в електромережу, плавно включати й відключати навантаження.

У зв'язку з розвитком IТ-технологій і сучасних систем зв'язку з'явилася можливість управління потужністю тисяч і десятків тисяч споживачів електроенергії.

Об'єднавши керованих споживачів-регуляторів у єдину автоматизовану систему із застосуванням IТ-технологій, можна зробити їх учасниками процесу регулювання балансу активної потужності (частоти) в енергосистемі, вирівнювання графіка навантаження й регулювання перетоків електроенергії у магістральних мережах. Управляти ними можна як у ручному режимі з диспетчерського пункту енергосистеми, так і в автоматичному режимі на місцевому рівні.

Подібні технології використовуються за кордоном. Це так зване demand-side management, або управління попитом - комплекс заходів, спрямованих на зниження споживання, згладжування пікових навантажень, вирівнювання кривої попиту, що дозволило деяким країнам відмовитися від будівництва дорогих пікових потужностей. Більш того, в Україні є jt-компанії, які розробляють подібні технології для енергокомпаній США.

Альтернативою будівництва ГЕС і ГАЕС (її частини) в Україні може стати новий напрямок в енергетиці України - demand-side management.

Неодноразові звернення до Міненерговуглепрому і Міністерства регіонального будівництва і комунального господарства з пропозицією вирішення проблеми дефіциту регулюючих і маневрених потужностей закінчувалися або банальною відпискою, що для цього немає грошей, або ж часом абсурдними відповідями. Одне міністерство перекладає вирішення цього завдання на інше. Разом з тим ця пропозиція одержала позитивну оцінку в Інституті електродинаміки і загальної енергетики НАН України, НКРЕ, ДП "НКК "Укренерго", АК "Харківобленерго" і "Харківських теплових мережах". Не знаю, що треба зробити, скільки необхідно написати статей, щоб керівництво цих міністерств прислухалося, звернуло увагу на вирішення проблеми і розглянуло її по суті.

***

Від централізованого гарячого водопостачання як економічно невиправданого і дотаційного необхідно відмовитися і перейти на нагрівання води електроенергією.

Як регулюючі й маневрені потужності в енергосистемі України необхідно використовувати керованих споживачів-регуляторів із застосуванням IТ-технологій.

Вирівнювання графіка навантаження, процес покриття пікових навантажень не може бути мимовільним, випадковим процесом. Це постійний процес, який вимагає проведення цілеспрямованих заходів з відповідним матеріальним і фінансовим забезпеченням. Брати участь у цьому процесі мають всі ланки цього ланцюга : держава, енергосистема, споживачі.