Концепция развития систем электроснабжения будущего

А.И. Дернов

ПО ПГЭС филиала ОАО «МРСК Урала» - «Пермэнерго»

В настоящий момент широко освещаются новые технологии и достижения в области энергоэффективности, все больше появляется на рынке инновационных продуктов для энергетической отрасли. Среди всего многообразия предложений инвестору труднее стало осуществлять свой выбор по вложению капитала, руководителям энергетических организаций сложнее внедрять новые технологии и продукцию с точки зрения будущей окупаемости затрат на их внедрение, особенно на первоначальных этапах. Существующая ситуация дополнительно осложняется тем, что у всех игроков на инновационном энергетическом рынке идей разные интересы. Технологии и продукты, которые выгодно поддерживать ОАО «ФСК ЕЭС», совершенно не интересны, и, даже наоборот, ущемляют интересы ОАО «Холдинг МРСК» или, например, генерирующих компаний (ОГК и ТГК), с точки зрения будущего развития их сектора рынка. При таком положении вещей, с целью определения своей позиции в вопросах развития или внедрения той или иной новой технологии или продукции в энергетике, важным становится знание основной концепции развития систем электроснабжения, в разрезе будущего влияния этих систем на различные сегменты энергетического рынка, и определения основных рисков в случае их внедрения.

Одной из главных характеристик системы электроснабжения, которая определяет почти все остальные ее параметры и элементы, является конфигурация системы распределения. Если провести краткий обзор и анализ отрасли, то современные системы распределения электрической энергии выполняются в виде разомкнутых и замкнутых конфигураций. При этом разомкнутые конфигурации делятся на радиальные и магистральные конфигурации. Комбинации различных конфигураций систем распределения электроэнергии образуют радиально-магистральные и сложно-замкнутые конфигурации сети [1].

Основываясь на предположении, что современные системы электроснабжения и системы электроснабжения будущего будут кардинально отличаться друг от друга, поставим себе цель создать другую, новую классификацию конфигураций систем распределения, которая позволила бы уже разработать концепцию развития систем электроснабжения будущего. Для решения поставленной задачи используем широко известный математический подход в диалектике и построим, так называемую модель «простой» (нулевой) системы распределения электрической энергии, полученную модель логически экстраполируем в сторону ее локальных точек (максимумов или минимумов) развития [2].

Для построения «простой» системы распределения электрической энергии используем минимально возможную конфигурацию, состоящую из одной «связи» и двух «узлов» разных видов. В качестве «связи» будет подразумеваться некоторая технологически созданная среда для передачи электроэнергии. Для примера, в настоящее время – это комбинация трансформаторных подстанций и линий электропередач. «Узлы» делятся на два вида: источники (или генераторы) электрической энергии и приёмники (или потребители) электрической энергии.

Для возможности дальнейшего усложнения полученной модели «простой» системы распределения электрической энергии необходимо наложить следующее ограничение на модель для «узлов» относящихся к приемникам. Будем считать, что экстраполированные в сторону локальных точек (максимумов или минимумов) развития системы распределения электрической энергии должны обеспечивать электроснабжение максимального количества (в идеале бесконечного) потребителей, что позволит отсеять промежуточные конфигурации и конфигурации не соответствующие требованию растущего рынка потребления электроэнергии.

Используя построенную выше модель «простой» системы распределения электрической энергии и заданные граничные условия для «узлов» потребителей, определим возможные направления экстраполяции развития модели. Путей развития будет только два. Первый путь – это обеспечение электроснабжения растущего числа «узлов» потребителей за счет развития количества и качества «связей». Второй путь – это обеспечение электроснабжения растущего числа «узлов» потребителей за счет развития количества и качества «узлов» источников электроэнергии.

Первую систему электроснабжения назовем распределительной – она характеризуется достаточно небольшой плотностью источников электричества и высокой площадью охвата потребителей. Вторую систему электроснабжения назовем распределенной – она характеризуется достаточно большой плотностью источников электричества и низкой площадью охвата потребителей. Здесь мы под плотностью источников электричества будем понимать отношение количества «узлов» источников к общему количеству всех «узлов» связанных друг с другом. Под площадью охвата потребителей подразумевается минимально возможная пространственная площадь, очерченная условными линиями, внутри которой находятся все связанные друг с другом «узлы».

Современная нам с Вами электроэнергетика яркий пример распределительной системы электроснабжения. Однако, начиная с конца ХХ века, все чаще и чаще стала заявлять о себе распределенная система электроснабжения – это ручные электрические приборы и инструменты, сотовые телефоны, электромобили и автомобили с комбинированным приводом, системы малой генерации на солнечных батареях или ветряных генераторах [3]. Сделав анализ известных нам распределенных систем, мы сможем увидеть два ярких их подтипа: автономная распределенная система электроснабжения (сотовые телефоны, электромобили) и связанная распределенная система электроснабжения (системы малой генерации на солнечных батареях или ветряных генераторах).

Автономная распределенная система электроснабжения – это система, в которой «узел» источника является частью «узла» потребителя. «Связь» между этими «узлами» реализуется внутренней системой электроснабжения «узла» потребителя. Другие типы «связей» в системе отсутствуют.

Связанная распределенная система электроснабжения – это система, в которой «узел» источника является частью «узла» потребителя. «Связь» между этими «узлами» реализуется внутренней системой электроснабжения «узла» потребителя. При этом «узел» источника имеет «связи» с одним или несколькими ближайшими к нему «узлами» других источников с целью резервирования нагрузки (это очень важно – именно не питания, а резервирования). Назовем такие «связи» между «узлами» источников электричества в связанной распределенной системе электроснабжения «близкими связями».

Привлекательность распределенной системы электроэнергетики очевидна – отсутствие затрат на организацию и эксплуатацию «связей», которая зачастую бывает просто убыточна. Сколько мест есть в России, где 3 - 4 дома запитаны многокилометровыми линиями электропередач? Автономный подтип распределенной системы очень интересен для использования в различных мобильных приложениях. Что тогда мешает занять лидирующие позиции распределенной системе электроснабжения в современном мире? Ответ прост – отсутствие в настоящий момент компактных источников электрической энергии различной мощности, в роли которых могут выступать как генераторы, так и накопители.

Представьте себе современные БКТП встроенные в жилые многоэтажные здания или ПС на территории заводов, только вместо привычных для нас силовых трансформаторов там стоят автономные мини АЭС. Или представьте индивидуальный жилой дом, полностью обеспечивающий свою нужду в электричестве с помощью солнечных батарей, ветрогенераторов и специальных накопителей электроэнергии. Или вот электромобиль, с компактным накопителем электроэнергии позволяющий проехать 500 километров без подзарядки. Еще один пример - пылесос, телевизор, да любой другой бытовой электроприбор и электроинструмент в котором находится батарейка, не требующая замены в течение 3 лет.

Все вышеперечисленное не фантастика – это президентская программа по модернизации современной экономической и хозяйственной деятельности РФ. Из пяти приоритетных направлений фонда «Сколково» два направления (кластера) прямо или косвенно, где-то полностью, а где-то частично, занимаются решением проблем распределенной электроэнергетики – это кластер «Ядерных технологий» и кластер «Энергоэффективных технологий» [4].

Всем известны разработки: Института электрофизики УрО РАН в области создания твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) с использованием нанотехнологий; факультета наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова в области создания литий - воздушных перезаряжаемых химических источников тока c удельной энергией более 1 кВт*ч на 1 кг веса аккумулятора для мобильных приложений и электротранспорта; ЗАО «Элтон» асимметричных электрохимических конденсаторов с водными электролитами – нового поколения химических источников тока с большим циклическим ресурсом для решения задач повышения энергоэффективности и многие другие разработки. Кроме этого, как в мировой энергетике, так и в России, существует высокий интерес к использованию и дальнейшему совершенствованию подземных мини АЭС малой мощности.

На всем этом фоне выделяется один из приоритетов кластера «Энергоэффективных технологий» связанный с созданием высокотемпературных сверхпроводников, в рамках которого работает ООО «Русский сверхпроводник». По многим причинам сомнительно использование данной технологии для создания дальней линии электропередачи большой мощности, однако, для организации «близких связей», ЛЭП на основе высокотемпературных сверхпроводников вполне подойдут, и, в этом разрезе, становится очень интересным эксперимент ОАО «МОЭСК» по строительству такой линии.

Наличие «близких связей» очень важно для развития связанной распределенной системы электроснабжения, которая значительно удешевляет автономную распределенную систему электроснабжения за счет исключения дублирующего резервного источника питания необходимого на случай замены или не штатного выхода из строя действующего реактора, резервный источник питания необходим также при пиковых повышениях нагрузки. Система «близких связей» позволяет создать некий конгломерат из автономных систем и дает им возможность перераспределять в случае необходимости потоки электроэнергии, поддерживая, тем самым, работу друг друга. Обязательным условием, по которому автономная система переходит в связанную – это наличие нескольких рядом расположенных автономных систем, позволяющих создать систему «близких связей».

Завершив технологический анализ реализуемости распределенной системы электроснабжения, перейдем к экономическому анализу последствий для различных субъектов хозяйственной деятельности современной электроэнергетической отрасли, используя классический подход [5]. Понятно, что автономная распределенная система электроснабжения может стать основным элементом «сельских» электрических сетей и различных мобильных приложений, а связанная распределенная система электроснабжения основным элементом «городских» электрических сетей. При этом магистральные сети ОАО «ФСК ЕЭС» исчезнут, ОАО «Холдинг МРСК» распадется и роль его дочек сведется в основном к сервисным функциям по обслуживанию и ремонту множества небольших электрических сетей, принадлежащих такому же множеству различных ТСО. ОГК и ТГК, в качестве оптовых поставщиков электроэнергии и возможно тепла (ТГК), так же перестанут существовать, как и различные МРСК, они будут выполнять только некоторые сервисные функции. В будущем, в случае господства распределенной электроэнергетики значительно возрастет роль ОАО «Атомэнегопрома». Незначительный подъем ждет возобновляемую электроэнергетику.

Глобального перераспределения ролей внутри разных отраслей энергетики не ожидается, кроме, может быть, вероятного и вполне естественного вытеснения электроэнергетикой нефтяного сектора из области автономных мобильных систем (другими словами автотранспорта и т.д.).

Несмотря на все свои преимущества, распределенная система обладает целым рядом недостатков. Во-первых, необходимо поставить под сомнение реальное снижение затрат на электроснабжение удаленных объектов небольшой мощности. Да затраты на эксплуатацию «связей» уйдут в прошлое, но затраты на организацию и эксплуатацию «узлов» существенно вырастут. Во-вторых, реально надежным источником электроэнергии любой мощности и не требующий постоянного притока ресурса для преобразования его в электроэнергию может стать только «батарейка» на основе мини АЭС, в противном случае мы получаем двухуровневую систему – распределенную на уровне электроэнергии и распределительную на уровне первичного ресурса (например, газа) для получения этой электроэнергии. В итоге, в целом, мы ничего не выигрываем, просто эксплуатационные затраты на поддержку «связей» перетекает в другую отрасль энергетики. В-третьих, уже сейчас вызывает сомнение эксплуатация таких сложных и опасных объектов как мини АЭС в автономном режиме, да и еще частными лицами, даже под жестким государственным контролем. В-четвертых, отсутствие реальной «поддержки» возобновляемой энергетики, которая выражается в том, что такие ее ресурсы, как солнце, ветер и вода в хорошем качестве находятся в одном месте, а основная масса потребителей электроэнергии в другом. И подобных вопросов к распределенной электроэнергетике еще очень и очень много.

Каковы перспективы развития, и есть ли они вообще, у современной нам распределительной системы электроснабжения? Чтобы ответить на этот вопрос, разберемся вначале в конечном результате ее развития, а именно в том, что такое идеальная распределительная система и как она должна работать?

Идеальная распределительная система электроснабжения в соответствии с нашей моделью обладает одним или несколькими (конечное множество) «узлами» источниками электроэнергии, от которых посредством системы «дальних связей» могут получать электроэнергию неограниченное множество «узлов» потребителей. При этом под системой «дальних связей» будем понимать технологически созданную среду для передачи электроэнергии любой мощности (в пределах возможностей «узлов» источников) на неограниченно большие (в рамках планеты) или малые расстояния с возможностью образования бесконечного количества точек подключения «узлов» потребителей.

Из определения «дальней связи» понятно, что основным ее свойством является передача электроэнергии с очень малыми технологическими потерями и эксплуатационными затратами. Только в этом случае появляются приемлемые условия для создания идеальной распределительной системы, в которой, в принципе, не важным становится пространственное расположение «узлов» на территории нашей планеты. У всех потребителей и генераторов электроэнергии появляется равная возможность образовывать друг с другом любые «связи», если эти «узлы», конечно, входят в систему «дальних связей».

Под малыми технологическими потерями в системе «дальних связей» будем понимать технологические потери не более чем 4% от всей передаваемой мощности электроэнергии на расстояния порядка 40 000 км (длина экватора). Таким образом, потери электроэнергии в «дальних связях» не должны превышать технологические потери передаваемой мощности электроэнергии в наше время на расстояния порядка 40 км.

Под эксплуатационными затратами подразумеваются финансовые средства, направляемые на поддержание в рабочем состояние и развитие технологически созданной среды для передачи электроэнергии. При этом под малыми эксплуатационными затратами будем понимать сумму всех затрат на транспорт электроэнергии от источника к потребителю, которая не превышает стоимости затрат на производство этой электроэнергии. В наше время стоимость транспорта электроэнергии, закладываемая в тариф, колеблется в пределах от 0,5 до 1,5 раза от стоимости ее генерации.

Проведя анализ всех возможных конфигураций идеальной распределительной системы электроснабжения, выделим два важных ее подтипа: централизованная система и сложно-радиальная.

Сложно-радиальная идеальная распределительная система электроснабжения – это система, в которой «узлы» потребителя с помощью системы «дальних связей», как правило, через транзит или напрямую соединяются с «узлами» источниками электроэнергии. Все «узлы» источники (или их большая часть) связаны друг с другом через систему «дальних связей» и образуют один единый «составной узел» источника электроэнергии.

Централизованная идеальная распределительная система электроснабжения – это система, в которой все «узлы» потребителя напрямую через систему «дальних связей» соединяются с «узлами» источниками электроэнергии. «Узлы» источники, как правило, не связаны друг с другом через систему «дальних связей» (в связи с отсутствием необходимости в этом). Понятно, что централизованная распределительная система является частным случаем сложно-радиальной, но именно она и является настоящей идеальной распределительной системой электроснабжения.

Плюсы идеальной распределительной системы очевидны. Один из них – это возможность создавать гигантские центры питания электроэнергии. Например, собирать вместе в конгломераты такие сложные и опасные объекты, требующие постоянного контроля, как АЭС с полным циклом подготовки и утилизации топлива в безопасных с географической точки зрения местах (вспомните аварию на Фукусиме-1 в Японии). Полная поддержка возобновляемой электроэнергетики, путем предоставления ее объектам возможности размещения в местах с качественными ресурсами: в пустыне, где много солнца; в степи, где много ветра; в горах, где много бурных рек; в прибрежной зоне, где есть прибой; в Антарктиде, где много холода; в труднодоступных или не обжитых местах, но имеющих, как правило, в избытке солнце, ветер, воду и др. возобновляемые ресурсы. Еще один из плюсов – это возможность транспортировать энергию в любую точку планеты с низкими технологическими потерями и эксплуатационными затратами в виде электрической энергии. Заметим, между прочим, что электричество самый универсальный носитель энергии, который позволяет легко конвертировать ее в любой другой вид (механический, тепловой, световой и т.д.), в настоящий момент эту роль выполняет нефть и газ. Еще один плюс идеальной распределительной системы электроснабжения - это создание единого общемирового энергетического рынка с бездискриминационным свободным доступом к электроэнергии, как со стороны ее потребителя, так и ее производителя.

Каковы доступные пути технической реализации идеальной распределительной системы электроснабжения? Не все знают, но современная нам распределительная система электроснабжения не была единственным возможным вариантом развития электроэнергетики – всегда существовал, и до сих пор существует альтернативный вариант распределительной системы электроснабжения на основе, так называемых, резонансных систем с трансформаторами емкостного типа (трансформаторов Тесла).

Современная система электроснабжения построена на трансформаторах индуктивного типа. Энергия, передаваемая в них, обусловлена выражением

. (1)

Таким образом, отношение тока в первичной и вторичной обмотке трансформатора определяется отношением их индуктивностей (количеством витков). В трансформаторах емкостного типа передаваемая энергия задается выражением

. (2)

Соответственно и отношение напряжений на первичной и вторичной обмотке таких трансформаторов определяется отношением их емкостей [6].

Трансформаторы емкостного типа обладают важной особенностью – на их основе можно строить резонансные системы электроснабжения. При настройке в таких системах резонанса «первого» и «второго» уровня, напряжение на вторичной обмотке трансформатора емкостного типа можно поднять до бесконечно большого значения (за счет создания стоячих волн в электрической системе связанной с его вторичной обмоткой), которое будет ограничиваться только диэлектрическими потерями в самом трансформаторе. Необходимо заметить, что резонансный принцип применяется, в том числе, и в системах с трансформаторами индуктивного типа в современных линиях передачи электроэнергии на дальние расстояния для увеличения их пропускной способности [7].

Под резонансом «первого» уровня понимается резонанс между первичной и вторичной обмоткой трансформатора емкостного типа, который обусловлен совпадением частот колебательных контуров этих обмоток. Под резонансом «второго» уровня понимается совпадение резонансной частоты трансформатора (определяется резонансом «первого» уровня) с частотой четвертьволнового излучателя электрической системы связанной с его вторичной обмоткой.

Резонансная система электроснабжения, в отличие от обычной системы, для передачи энергии требует только один проводник, который выступает в роли волновода, при этом его омическое сопротивление неважно для резонансной системы, потому что электроэнергия передается по проводнику - волноводу не за счет поступательного движения электронов в замкнутой системе и соответственно тепловые потери в проводнике отсутствуют.

В 30-е годы ХХ века были разработаны теоритические основы использования одиночного проводника в качестве волновода для передачи электромагнитной энергии на высокой частоте. К сожалению, не могу сделать более раннюю ссылку на Николу Теслу, потому что, несмотря на его очевидный приоритет в этих вопросах, он практически не оставил после себя научных трудов [8]. Итак, если в трубчатых волноводах ток в волноводе замыкается в виде токов смещения, протекающих по оси волновода, то ток в одиночном проводниковом волноводе замыкается в виде токов смещения в пространстве, окружающем проводник. На поверхности одиночного разомкнутого проводника в связи с наличием фазового сдвига между волнами тока и напряжения возникают поверхностные заряды, которые создают кулоновые возбуждающие электрические поля, и эти поля приводят к появлению кулоновых токов в проводнике. Таким образом, в проводнике возникает потенциальное электрическое поле, которое обеспечивает перенос зарядов и ток в проводнике. Описанные процессы имеют электростатическую природу и сопровождаются малыми потерями в проводнике [9].

Другими словами, если взять два конденсатора, один из которых заряжен, и создать замкнутую цепь из этих конденсаторов, то ток проводимости в замкнутой цепи создаст джоулевы потери в проводниках, соединяющих конденсаторы. Однако если мы соединим заряженный сферический конденсатор одиночным проводом с другой незаряженной сферой - конденсатором, то перенос зарядов с одной сферы на другую не будет сопровождаться джоулевыми потерями. В этом случае цепь не замкнута и в ней отсутствует ток проводимости.

Однопроводная резонансная система электроснабжения – это яркий пример реализации сложно-радиальной идеальной распределительной системы электроснабжения. Если в предыдущей системе в качестве одиночного проводника использовать Землю, то мы получим пример централизованной идеальной распределительной системы электроснабжения.

В настоящее время активные разработки в этом направлении ведутся в ВИЭСХе под руководством Д.С. Стребкова, ранее эти работы велись в ВЭИ им. В.И. Ленина под руководством С.В. Авраменко, который впоследствии продолжил свои исследования в Англии, куда его пригласили работать над резонансной системой электроснабжения. Из реализованных в настоящее время проектов можно отметить: 200 метровую однопроводную линию уличного освещения на молодежном форуме «Селигер 2007»; систему электропитания узлов автоматики на ракете-носителе; 20 кВт ЛЭП станций катодной защиты трубопроводов протяженностью 1,6 км, выполненной для нужд ООО «Сургутгазпром» [10]. Как мы видим, реализованных разработок достаточно немного, также смущает отсутствие информации по резонансным системам электроснабжения в свободном доступе и отсутствие по ним широкой поддержки со стороны государства и крупных российских электроэнергетических компаний, несмотря на очевидные плюсы этих систем для них.

Проведя экономический анализ внедрения идеальной распределительной системы электроснабжения для различных субъектов хозяйственной деятельности современной энергетики, можно сделать вывод, что распределение ролей в сегменте электроэнергетики практически не претерпит изменения. За исключением, того что значительно возрастет роль ОАО «Атомэнегопрома», как и в случае с распределенной электроэнергетики, т.к. основными источниками электроэнергии станут крупные конгломераты АЭС. Также значительно вырастет сегмент рынка у возобновляемой энергетики. Хотелось бы дополнительно отметить, что, не смотря на то, что с экономической точки зрения изменений не будет (ОАО «Холдинг МРСК», ОАО «ФСК ЕЭС», различные ТГК и ОГК сохранят за собой свои сегменты рынка и даже значительно расширят их), но с технологической точки зрения, электроэнергетику будет ждать настоящая революция. Замена одного типа распределительной системы на другой тип распределительной системы, создание новой инфраструктуры транспорта электроэнергии естественно потребует мощных инвестиционных вливаний, а также безоговорочную поддержку со стороны государства.

Сильно изменится распределение технологических и экономических ролей внутри самой энергетики. Например, ОАО "Газпром" перестанет выполнять одну из своих главных функций – транспорт газа (70% от всей его хозяйственной деятельности), а будет заниматься только его добычей (30% от всей его хозяйственной деятельности), так как газ выгодней будет сжигать на месте, а не транспортировать через весь материк или на другой континент. В настоящее время, на фоне такого прогноза, интересным выглядит желание правительства РФ объединить активы газонефтяных компаний с электроэнергетическими компаниями.

Определить недостатки идеальной распределительной системы сейчас достаточно затруднительно, поскольку накопленный опыт по ее эксплуатации очень мал. Пожалуй, это и есть основной недостаток указанной выше системы электроснабжения – высокая степень риска связанная с реализацией новой технологии передачи электроэнергии. Дело в том, что уже сегодня очевидно то, что теоретические основы резонансной системы передачи электроэнергии очень шатки, так как она не вписывается в классическую научную парадигму и требует создание новой теории электродинамики, а также проведения обширных исследований в этой области.

На заре становления электроэнергетики шла отчаянная борьба между системами электроснабжения постоянного и переменного тока. Каждая из этих систем заняла свою нишу в современном мире, сейчас борьба идей перешла в иную плоскость – между распределенной и распределительной системами электроснабжения. Однако, как и во все времена, именно новая система электроснабжения, какая бы из них ни победила, запустит следующий виток научно - технического прогресса и станет тем локомотивом, который позволит выйти современному миру из экономического кризиса.