Не гидрой единой! Энергоаккумулирование важнее борьбы с углекислым газом!

         В определённом смысле, многим странам, не успевшим глубоко погрузиться своими инвестициями в бесконечное болото альтернативной возобновляемой энергетики, сильно повезло! На волне модного хайпа они не успели серьёзно потратиться на т.н. "зелёную энергетику" и дождались первых, пусть и не окончательных, но уж точно отрицательных результатов работы первого поколения (15-20 лет) систем альтернативной генерации. К слову, я тоже писал о таких тенденциях, и, сегодня, уже не стоит вопрос о целесообразности альтернативной энергетики в формате бесспорного априори, вопрос ставится совершенно по-другому: где и в каком объёме альтернативная энергетика действительно полезна и целесообразна? Или, как эффективно поставить возобновляемую энергетику на службу экологии без ущерба для развития промышленности и экономики в целом? 

         По сути, все наиболее эффективные способы использования альтернативной энергетики можно свести к двум-трем масштабируемым и, вероятно, экономически обоснованным с позиции существенных затрат на эту самую альтернативную энергетику:

      1. Определение оптимального соотношения городского электротранспорта и обеспечивающих его инфраструктуру альтернативных источников энергии (в силу суточных колебаний "ночь-день" нет смысла трать на это промышленное сетевое электроснабжение) и углеводородного транспорта на периферии (там электротранспорт точно не оправдан, тем более от ВИЭ). Найти эту точку баланса, эту точку гармоничного равновесия (а не альтернативобесия), в т.ч. и в других отраслях народного хозяйства - и есть ключевая задача развития энергетики на ближайшие годы.

      2. Поиск наиболее эффективных способов накопления электроэнергии в случае её перепроизводства на основных видах энергогенерации, в т.ч. в рамках проектов повышения КИУМ. В определенном смысле - средства и методы накопления энергии от основного промышленного потока - это существенная альтернатива затратам на ВИЭ. Но с одной поправкой! Если ВИЭ тоже надо создавать и как-то эксплуатировать, независимо от того, какой у них КПД  в тот или иной момент времени, то установки аккумулирования энергии изначально проектируются как "мерцающие", то есть работающие периодически в зависимости от объёма избыточно сгенерированной электроэнергии. А значит по-умолчанию, они должны быть максимально автоматическими, автоматизированными с минимальным обслуживающим персоналом.

         Собственно, именно второму аспекту политики создания инфраструктуры альтернативной энергетики, а именно - энергоаккумулированию, и посвящена настоящая статья в силу отсутствия некоторого единого подхода в понимании и целесообразности развития этого направления в России. Объективно стоит напомнить, что наиболее частая ассоциация слову "энергоаккумулирование" представляет собой слово - ГАЭС, т.е. Гидроаккумулирующая Электростанция. Всем хорошо известно, что электроэнергия – уникальный продукт, не поддающийся накоплению. Конечно, можно говорить о локальных системах химического аккумулирования, но масштабного способа копить и сохранять энергию нигде, кроме ГАЭС – нет. Системный научных подход говорит о том, что реализация задач использования избыточной мощности ГЭС через строительства ГАЭС – не всегда реализуема, экономически целесообразна и социально опасна. ГАЭС – хороший способ регулирования гидропотенциала, но не единственный вариант накопления энергии. Во многих случаях и установках лучше вести речь о гибридном проектировании ГЭС и ЭАС – энергоаккумулирующих станциях альтернативного типа.

         Как всем хорошо известно, гидроэнергетика выполняет функции выравнивающей генерации, то есть благодаря ей производится регулирование и гармонизация спроса и предложения на электрическую энергию. Всё это приводит к тому, что базовая промышленная генерация (атомная, теплоэнергетика) всегда имеют приоритет и получают максимальный КИУМ. По сути мы можем говорить о том, что научная сторона вопроса повышения КИУМ для них сродни политике бережливого производства, поскольку речь и дет о процентах. В случае Русгидро речь идет о десятках процентов потери УМ (КИУМ до 50%) и здесь методами производственных систем вопросы не решить – нужны реальные научные подходы. Существенным ограничением при выборе таких подходов является условия создания таких инструментов повышения КИУМ, от которых можно легко отказаться в периоды повышенного спроса на электроэнергию. Иными словами, их простой не приводит в ущербу ни для населения, ни для окружающей среды, ни для экономики гидроэнергетики в целом. А это значит, что такие установки изначально должны проектироваться для работы в автономном режиме с минимальным обслуживанием и обеспечением. Также важным ограничением является гибкость производственной мощности, она должна варьироваться от минимальных до максимальных показателей легко.

       Можно сказать, что наши проектировщики тоже умеют проектировать ГЭС, ГАЭС и инфраструктурные ГТС эффективно и качественно с использованием всех лучших достижений в области цифрового строительства и использования технологий информационного моделирования. Но этого недостаточно. На технические требования сегодня накладывается масса новых обязательств: это и соответствие стандартам энергоэффективности, это и требования устойчивого развития, это и параметры ESG-комплаенса, противодействия терроризму и экоциду. Развитие научной мысли в области гидроэнергетики должно происходить не только в направлении создания новых эффективных ГЭС, но и с позиции максимальной эффективности использования гидропотенциала с выполнением таких требований. Решением такой задачи мы и видим развитие и разработку альтернативных вариантов энергоаккумулирующих установок.

         Давайте попробуем охватить все возможные варианты аккумулирования энергии путем трансформации избыточно произведенной электроэнергии в потенциальную и кинетическую энергию. Практически все типы энергоаккумулирующих станций сегодня хорошо известны, и я перечислю основные, но сначала хотел бы напомнить, о низком пока КПД таких инновационных проектов и обозначить, что это и есть направление развития научной мыли для многих предприятий и институтов ТЭК России. Условно, энергоаккумулирующие установки можно разделить по типам накопленной энергии. При этом, мы логично опускаем описание классического химического аккумулирования электроэнергии с использованием всех видов накопителей электроэнергии, включая литий-ионные аккумуляторы и ядерные батарейки.

      1. Хорошо нам известные ГАЭС, на них останавливаться не будем, они понятны и нами используются активно, хотя есть и вопросы, связанные с их реальной полезностью. Надо сразу отметить, что с ГАЭС в России не всё хорошо, если помнить о так и не запущенной Загорской ГАЭС-2. При том, что ГАЭС также съедает полезное для жизни пространство для хранения воды - обычно умалчивается.

      2. Гравитационные энергоаккумулирующие установки. Типовые инновационные проекты предлагают строительство высоких башен с поднимаемым грузом, который потом опускается и через систему передачи момента вырабатывает электроэнергию. Но это далеко не единственный способ: такие установки можно строить и в шахтном исполнении, а можно и просто в горах, наклонного типа, особенно там, где мы используем энергопотенциал горных рек. Пример работы такой установки показан на рисунке ниже, но это пример еще одного типа гравитационно-аккумулирующей установки - гидро-гравитационной. Так или иначе, все гравитационные установки можно создавать рядом с ГЭС или иными источниками

60b92734446b4b2ee75763268ac9a616.jpg

       3. Пневматические или газовые энергоаккумулирующие установки. Здесь лишняя электроэнергия трансформируется в газ высокого давления и при необходимости он подается на специальные пневмороторные или пневмопоршневые установки с выработкой электроэнергии. Это дорогое удовольствие, но прекрасное поле для научного поиска и моделирования новых режимов с использованием ИИ. Один из вариантов такого аккумулирования - это нагнетание давления газа в подземных хранилищах с тем, чтобы в дальнейшем трансформировать эту потенциальную энергию в кинетическую энергию вращения турбин. Пример такой установки также показан ниже, но, как вы понимаете, это далеко не единственный сценарий такого полезного использования. 

299fa4b65db92105005afd8f068df7bd.png

      4. Водородные установки. Это сегодня самый актуальный и самый обсуждаемый способ использования временно избыточной генерации. Установки по производству водорода методом пиролиза воды, которая (как мы понимаем есть рядом) – одно из лучших решений для повышения КИУМ ГЭС, но и не только в гидроэнергетике. Полученный водород можно использовать по разному: и передавать на ближайшие заправки для зарядки топливных элементов электромобилей, он может подмешиваться в природный газ, оно может напрямую сжигаться в водородогенераторных установках для производства электроэнергии в период пиков. У водородного аккумулирования есть много минусов и проблем, в том числе логистических. Но если их размещать гармонично, в соответствие с сетью, например, водородных заправок на небольшом расстоянии от самого производства, то это будет не только аккумулирование, но и синергетическое использование водородного топлива. 

4082c42c4bcb20a417f37d17f3caf0e7.jpeg

         Как известно, существующие технологии производства водорода, при всей кажущейся привлекательности водородных технологий с точки зрения экологов – достаточно опасны для непрофессионального публичного использования и дорогостоящие. Использование природного газа в качестве источника водорода, кроме всего прочего, лишает экономику страны ценного углеводородного сырья. Наиболее привлекательными являются технологии электролиза воды. Строительство единичных крупномасштабных мощностей по производству водорода иными способами потребует создания трансроссийской системы многоуровневой логистики водорода от мест производства к точкам сбыта, что также потребует серьёзных капиталовложений и несет высокие риски при эксплуатации. Снижение этих рисков возможно путем создания распределенной сети малых и средних производств водорода по всей стране по технологии электролиза, а потому привязанных к точкам избытка электроэнергии и частых пиков. Эта модель наиболее эффективна при реализации программ развития водородной индустрии. Суть распределенной сети центров производства водорода сводится к трем базовым тезисам:

  • Закрывать существующие пики. Заводы по электролизу водорода могут использовать избыточную или невостребованную электроэнергию ночных перепадов или производственных сезонных пиков выработки электроэнергии. Такая модель строится на цифровых технологиях учета производства электроэнергии и передачи избытков в сеть производства водорода по ставке себестоимости производства и передачи, давая возможность формировать маржу на производстве водорода. С одной стороны такая политика сглаживает работу энергогенерирующих производств. С другой, легко переносит изменение использования пиковой выработки электроэнергии в других целях, т.к. производства водорода останавливаются без риска ущерба для технологических процессов.
  • Мелкие и средние производства. Этот тезис важен т.к. строительство небольших производств водорода в удаленных точках конкретных территорий всегда менее опасно для населения и экологии (нет риска большого взрыва), с одной стороны, с другой – дает и новые рабочие места по регионам. Логистика водорода к точкам сбыта в своем регионе резко упрощается и сокращается по длительности и стоимости, привязывается к существующей инфраструктуре и позволяет реконструировать её по месту использования. Кроме того, объем производства подгоняется под местные пики перепроизводства и закрывает возможное перепроизводство электроэнергии в гибком ячеистом подходе: по мере потери свободной электроэнергии отключаются малые или средние производства по очереди, т.е. не все разом, как большое производство. Это позволит создать систему и рассчитать потребность в компенсирующих мощностях от локальных малых и средних ГЭС (это и есть суть предложения).
  • Компенсирующие мощности. Создание сети малых и средних предприятий по производству водорода, посаженная на график пиков по сезонам и регионам, так или иначе, должна иметь компенсационный резерв, в случае отсутствия пиков или их снижения. Лучшим источником для создания такой компенсирующей генерации являются именно инструменты альтернативной безтопливной генерации, к тому же локальной, малой и средней. Преимуществом локальной альтернативной энергетики является отказ от создания дорогостоящих сетей и установок трансформации для передачи их электроэнергии в общую сеть. От этой идеи надо отказаться абсолютно. Такие малые и средние установки будут эффективны только в рамках короткого логистического плеча, а точнее – до самого местного производства водорода. Безусловно, в качестве альтернативного источника компенсирующей мощности могут использоваться как ВЭУ, Солнечная генерация, альтернативная сопутствующая генерация сжигания ПНГ (попутного нефтяного газа) или СОГ (сухой отбензиненный газ) после переработки ПНГ. В местах, где есть возможности получения электроэнергии с использованием малых и средних ГЭС, надо строить такие компенсирующие гидроэнергетические станции в обязательном порядке. Даже если такая локальная малая или средняя ГЭС не будет включена в общую сеть, она может работать с местными региональными сетями соседних поселений параллельно с основной системой подачи и на случай аварии в общей сети.

      5. Био-энергоаакумулирующие установки. Это наиболее оригинальный, но при этом, может быть и достаточно перспективный способ энергоаккумулирования. Принципи здесь прост и потнятен: избыточная электроэнергия идет на производство биогаза или био топлива, которое, в свою очередь, может накапливаться и использоваться для генерации электричества и тепла тогда, когда наступает активный спрос. Как и в предыдущем примере, местное производство энергоресурсов идет на удовлетворение локальных потребителей, а большая промышленная генерация, уже без потерь, работает на крупных потребителей. Дело в том, что производство биотоплива требует специального устройства. Первый этап – измельчение сырья. Определенное количество соломы, шелухи, опилок и пр. поступает в реактор, то есть резервуар, в котором оно нагревается. К этому резервуару идет специальный загрузчик, иногда используется насосная установка. Все оборудование серьезно утеплено для сохранения температуры внутри. Измельчение и периодическое перемешивание осуществляется вмонтированными миксерами. Изготавливается установка из железобетона, иногда используется сталь со специальным устойчивым покрытием. Внутри реактора создается питательная для бактерий среда, то есть туда помещаются растительные отходы производства. А вырабатывают бактерии биогаз. Итак, для производства биологического газа требуется растительное сырье, тепло (до +38 градусов), и перемешивание миксером. Образующийся газ поступает в газгольдер, там он очищается и затем транспортируется к котлу потребителя или на электрогенератор. Проще говоря, генератору требуется тепло, а тепло можно получать от избыточной электрогенерации. Как и тепловой, смотрите рисунок ниже, как пример.

f1a72c5d3cf5cdc6b54f8b02edcd7283.jpg

      6. Газосжижающие установки. Это еще более дорогие установки, но в небольших масштабах вполне полезные, особенно при синергии с газоснабжающими рынками. Здесь есть существенное требование – проходящий вблизи газопровод. Если таковой есть, то установка по сжижению на т.н. избыточной генерации может производить сжиженный газ и поставлять его удаленным потребителям. Что важно, такой СПГ можно накапливать и поставлять его даже тогда, когда свободной мощности нет. Это тоже прекрасный повод для научного обоснования и использования всех современных технологий сжижения в локальном масштабе.

      7. Кинетические накопители. Обычно представляет собой накопитель энергии на базе супермаховика с широким кругом применения в промышленных предприятиях, электрических сетях и инфраструктуре. Такой накопитель способен пережить неограниченное число циклов разряд-заряд высокой мощности без потери энергоемкости, оставаясь при этом экологичным и безопасным в использовании. Накопитель Кинетической Энергии или просто СуперМаховик обычно состоит из двух ключевых элементов: уникального маховика и мощного электромотора-генератора. Для накопления энергии электромотор раскручивает супермаховик, преобразуя электрическую энергию в кинетическую энергию вращения супермаховика. Для отдачи энергии мотор переходит в режим генератора и использует вращение супермаховика для генерации электроэнергии.

      8. Паро и снего-аккумулирующие установки. Это своеобразные клоны ГАЭС, но не для русловых ГЭС, а для деривационных, особенно в горах, в сложной местности, где есть сезонные проблемы с территориальным водосбором. Очень полезные варианты для накопления воды в резервуарах выше по уровню к ГЭС. Пароустановки – это подъём воды в виде водного пара, созданного электронагревом, в водонакопители. Конечно, кто-то скажет, что выгоднее построить насосную станцию как в ГАЭС, но вполне могут ситуации, когда строительство вертикального водопровода невозможно в принципе, а пар пройдет по своему маршруту в любом случае и конденсируется в нужном месте. Снего-аккумулирующие установки аналогичны, но в данном случае, электроэнергия тратится на производства снега в горах в снегонакопителях, который потом растает и в водонакопителе создаст резервы воды для напора.

         И это только некоторые предложения. Вывод здесь один – надо искать новые варианты гармоничной экосистемности. Построить ГЭС с высоким производственным потенциалом и не использовать его полностью – это потери. Строить с низким – это неэффективно использовать природный ресурс, который в данной точке – конечен. Всё это надо приводить к единой системной взаимосвязи и формировать технический симбиоз различных решений. Это ли не поле для научного поиска, это ли не поле для создания и применения лучших наработок в области цифровых технологий в т.ч. с использованием ИИ.

Комментарии