Preview

Стратегические решения и риск-менеджмент

Расширенный поиск

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

https://doi.org/10.17747/2078-8886-2012-2-82-90

Полный текст:

Аннотация

Автономный энергетический комплекс должен обеспечить надежное электро- и теплоснабжение потребителя. В работе исследуется эффективность энергетического комплекса, состоящего из ветровых, теплонасосных, дизельных энергетических установок с применением системы аккумуляции водорода. Рассматривается совместное использование ветровой энергетики, источников низкопотенциального тепла с применением теплонасосной установки и системы аккумуляции энергии на основе водородной энергетики в России.

Для цитирования:


Виссарионов В.И., Дорошин А.Н., Кацай А.В., Дорошина А.В. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ. Стратегические решения и риск-менеджмент. 2012;(2):82-90. https://doi.org/10.17747/2078-8886-2012-2-82-90

For citation:


Vissarionov V.I., Doroshin A.N., Doroshina A.V., Katsai A.V. METHODS OF CALCULATING THE ENERGY INDUSTRY FOR HEAT AND ELECTRICITY CONSUMERS ON THE BASIS OF AUTONOMOUS RENEWABLE ENERGY. Strategic decisions and risk management. 2012;(2):82-90. (In Russ.) https://doi.org/10.17747/2078-8886-2012-2-82-90

Введение

Территорию России условно можно разде­лить на зоны централизованного и децентрали­зованного энергоснабжения. Зона децентрали­зованного энергоснабжения - Север и Дальний Восток, или примерно две трети всей территории России, где, по разным оценкам, проживает от 20 до 25 млн человек. Жители этих регионов исполь­зуют дизельные либо бензиновые энергетические установки, применение которых связано с исполь­зованием дорогостоящего органического топлива и проблемами его доставки потребителю [5].

Мировой опыт освоения ресурсов возобнов­ляемых источников энергии (ВИЭ) показывает, что использование только одного вида ВИЭ в си­стемах энергоснабжения автономных потреби­телей не всегда позволяет обеспечить надежное и бесперебойное энергоснабжение из-за физиче­ских особенностей самих ВИЭ. Как правило, энер­госнабжение автономных потребителей за счет ВИЭ стараются обеспечить путем комбинации разных видов ВИЭ в так называемые энергетиче­ские комплексы (ЭК). В их состав обычно входят энергоустановки на базе ВИЭ, дизельные (бензи­новые) энергоустановки (ДЭУ, БЭУ), а также раз­ного вида системы аккумуляции энергии [4].

На сегодняшний день наиболее изученными и надежными являются ветродизельные энер­гетические комплексы (ВДЭК). Они являются надежным источником электрической энергии для тысяч автономных потребителей и эксплуа­тируются во многих странах мира [I]. Приведем пример эффективного использования ВДЭК: на острове Фэр (Шотландия) для поселка с на­селением 70 человек была построена электро­станция с двумя ДЭС, первой (мощность - 20 кВт) было достаточно для электроснабжения летом, а другой (50 кВт) - для электроснабже­ния зимой [7]. Ветровые условия на острове весьма благоприятны. Средняя скорость ветра - 9,6м/с. В июне 1982 года там была установлена ВЭС мощностью 50 кВт. С тех пор производство энергии возросло в 3,7 раза. Эксплуатация ВДУ на острове Фэр показала, что себестоимость элек­трической энергии, получаемой от ДЭС, состав­ляла 8 центов/кВт-ч, а от ВЭС - 3,5 цента/кВт-ч. Для этой станции было разработано специальное устройство, которое показывало, когда счетчик энергии переключается на более высокий тариф. Показатели производства энергии приводятся в таблице.

При необходимости для повышения надеж­ности энергообеспечения ВДЭК дополнительно можно оснастить маховиковым (кинетическим) накопителем энергии. В короткий промежуток времени (за секунды, минуты) маховик позво­ляет перераспределить энергию, получаемую от ветровой установки, обеспечить работу дизеля в номинальном режиме, что положительно влия­ет на итоговый расход топлива. Кроме того, ки­нетический накопитель энергии может служить в качестве источника бесперебойного питания в энергосистеме [2], поддерживая энергоснаб­жение потребителя в период запуска и выхода резервного дизель-генератора на устойчивый ре­жим работы.

ВДУ позволяет существенно экономить ди­зельное топливо, однако его вклад в энергообе­спечение потребителя остается существенным. Система аккумуляции для перераспределения энергии в долгосрочном периоде может свести к минимуму использование органического топли­ва. Одним из альтернативных решений является использование водородных технологий. Когда выработка энергии на ВЭС превышает объемы потребления, можно получать водород, который, в свою очередь, может быть эффективно исполь­зован для выработки энергии во время штиля или слабого ветра [4]. Обычно при использовании ВИЭ водород получают путем электролиза воды. Выработка электрической энергии из водорода может осуществляться разными путями. На се­годняшний день основными считаются следую­щие:

  • использование топливного элемента (ТЭ);
  • сжигание водорода в специально переделан­ных дизельных генераторах либо в парогенерато­рах.

На сегодняшний день использование ТЭ счи­тается более перспективным, чем сжигание водо­рода в модернизированных дизельных генерато­рах, за счет сравнительно высокого КПД (50-80% против 20-35%). Однако стоимость самих ТЭ остается достаточно высокой [3].

 

Производство энергии на острове Фэр за год работы

Энергоустановка

Выработка энергии

абе. кол-во, кВт-ч

отн. кол-во, %

ВДУ, суммарная

185 024

100,00

ВЭС

168 895

91,2

ДЭС

16 147

88,72

При эксплуатации ЭК на основе ВИЭ с при­менением технологий водородного аккумулиро­вания возникает необходимость хранить доста­точно большие объемы газа. Существует целый ряд методов, надежность некоторых из них под­тверждена на практике, другая часть проходит лабораторные и производственные испытания. Подобные энергетические комплексы уже созда­ны и успешно эксплуатируются в Канаде и Ав­стралии.

В Канаде для обеспечения энергией отдален­ных поселков применяются гибридные схемы - ветро-дизельные и ветро-водородные. Водород используется для производства электроэнергии в двигателях внутреннего сгорания. Ветро-во- дородная схема применяется в проекте Prince Edward Island Wind-Hydrogen Village и в городе Рамеа. Мощность генератора водорода состав­ляет 250 кВт. Ежегодно он позволяет экономить 120тыс. л топлива, тем самым предотвращает выбросы в атмосферу: CO2- 320т, NOx - 6,8т, SO2 - 0,6 т. В работе, посвященной исследова­нию данного комплекса (по материалам сайта http://www.ieawind.org), не приведены конкретные показатели, однако указывается, что сооружение комплекса экономически оправдано. В институте TAFE Tasmania (Австралия) действует комплекс, состоящий из двух ветроустановок, электролизе­ра и дизельной установки, которая приспособлена для работы с водородом.

ЭК должен обеспечить надежную и беспере­бойную работу системы энергоснабжения в це­лом. В зависимости от категории потребителей в системе энергоснабжения необходимо пред­усмотреть соответствующие источники энергии, которые должны сглаживать колебания мощности ВЭУ на выходе во времени, в том числе и источ­ники бесперебойного питания.

Постановка задачи

Рассматривается автономный потребитель в расчетной точке H с координатами по широте φ и долготе ψ, град. Для него задаются графики по­часового потребления тепловой и электрической энергии во времени (Qi и Pi соответственно, i = 1,2,...,«) за расчетный период Т.

где tK - конечный период времени; t0 - начальный период времени; ∆ti=I ч. Нагрузка должна быть обеспечена за счет использования ВЭУ, системы получения H2 и O2, которые аккумулируются и да­лее используются в ТЭ для получения электро­энергии, а также сопутствующих им устройств - теплонасосной установки (ТНУ) и дизельной энергетической установки (ДЭУ), для которых задаются необходимые технико-экономические параметры и характеристики, соответствующее специальное информационное обеспечение.

Для ВЭУ определяют тип, установленную мощность NустВЭУ, кВт, высоту башни Hg, м, мощностную характеристику ВЭУ NВЭУ(V), стоимость ВЭУ с учетом ее доставки, монтажа и эксплуата­ции в течение срока службы, среднечасовые ско­рости ветра, vi, i = 1,2...n в географической точке Α(φ,ψ), рассчитанные с учетом шероховатости местности, розы ветров с заданной шероховато­стью по румбам для высоты башни ВЭУ Hб, м.

С учетом ТЭ и системы аккумуля­ции H2 и O2 необходимо определить про­изводительность электролизера, установленную мощность PустЭЛ, кВт, давление компрессора, необходимый объем хранящегося водорода VH2 (при необходимости - кислорода VO2 ), установленную мощность ТЭ NустТЭ , стои­мостные характеристики оборудования, его достав­ку и монтаж, климатические условия эксплуатации.

Для ТНУ с вертикальной системой отбора низкопотенциального тепла необходимо знать:

  • тип ТНУ с заданным типом вертикальных теплообменников;
  • тип грунта (источника низкопотенциального тепла);
  • установленную мощность ТНУ;
  • коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую;
  • стоимость ТНУ;
  • стоимость доставки;
  • стоимость монтажа;
  • стоимость бурения;
  • глубину бурения скважины;
  • среднесуточные температуры грунта и воз­духа в расчетной точке.

Для ДЭУ (БЭУ) нужно знать его тип, удель­ный расход топлива йуд, стоимость топлива, срок службы и стоимость установки. Также не­обходимо учитывать эксплуатационные и энер­гетические характеристики вспомогательного оборудования, к которому отнесены инверторы, трансформаторы, измеряющее оборудование, управляющая система и т. д.

Требуется найти оптимальные типы и число основных элементов рассматриваемого ЭК с це­лью обеспечить минимум приведенных затрат за расчетный период времени T=tK-t0

где Iпр приведенные затраты на создание и экс­плуатацию ЭК; IпрВЭУ _ приведенные затраты на создание и эксплуатацию ВЭУ в составе ЭК; IпрТЭ  - приведенные затраты на создание и экс­плуатацию ТЭ в составе ЭК; Iпракк - приведенные затраты на создание и эксплуатацию системы аккумулирования энергии в составе ЭК; IпрТНУ - приведенные затраты на создание и эксплуата­цию ТНУ в составе ЭК; IпрДЭУ(БЭУ)  _ приведенные затраты на создание и эксплуатацию ДЭУ в со­ставе ЭК при учете следующих условий и огра­ничений:

где Pmax - максимальная нагрузка потребите­ля; NустВЭУ, NycmТЭ, NпрДЭУ(БЭУ)) - установленная мощность ВЭУ, ТЭ, ДЭУ (БЭУ); Pi - нагрузка потребителя в i-й момент времени; NВЭУi - вы­рабатываемая электрическая мощность ВЭУ в i-й момент времени; Vi - скорость ветра в i-й мо­мент времени; NТЭi - вырабатываемая тепловая мощность ТЭ в i-й момент времени; NДЭУ(БЭУ)i - вырабатываемая электрическая мощность ДЭУ(БЭУ); Vmax - максимальная скорость ветра при которой работает ВЭУ; NДЭУ (БЭУ)min _ минимальная мощность, с которой может ра­ботать ДЭУ (БЭУ); NДЭУ (БЭУ) _ средняя го­довая мощность ДЭУ (БЭУ); NycmДЭУ (БЭУ) - установленная мощность ДЭУ (БЭУ); VH2 - объ­ем запасенного водорода.

При этом в формуле (3) следует учесть при­нятое число основных расчетных элементов ЭК, капитальные вложения и издержки в них, циклич­ность ремонтов и сроки их жизни.

Анализ рассмотренной задачи позволяет классифицировать ее как многофакторную, цело­численную с учетом уравнений связи типа (3), ограничений типа неравенства (6) - (8), (11), ин­тегрального ограничения типа (12) и нелинейных связей типа (5). Подобные задачи могут быть как одно-, так и многоэкстремальными, что тре­бует использование для их решения глобальных методов поиска в математическом программиро­вании.

Исходные данные: v(t) - скорость ветра (по­часовые данные); PЭЛ(t) - электрическая нагрузка потребителя (почасовые данные); Pтеп(t) - тепло­вая нагрузка потребителя (почасовые либо сред­несуточные данные).

Методика расчета

Для обеспечения надежности соответствую­щих расчетов по ВЭУ нужно иметь результаты наблюдений за ветром в рассматриваемой точке Земли, где планируется сооружение ВЭУ (жела­тельно не менее 10 лет), в течение длительного периода. При этом величина расчетного интерва­ла для скоростей ветра должна быть не более I ч, что весьма затрудняет обеспечение надежности всех расчетов из-за ограниченности рядов наблю­дения за ветром. В связи с этим для подобных рас­четов можно использовать существующие сегод­ня базы данных по характеристикам ветра.

Как правило, данные по характеристикам ве­тра представлены для определенной высоты: 10 м (Россия, другие страны Европы), 50м (США). Для пересчета скорости ветра на высоту башни используют формулу

где Vизм - измеренная скорость ветра на высоте Hизм, где проводились измерения; γ - коэффици­ент, зависящий от местоположения исследуемого объекта, γ ~0,2 [5].

Мощность, вырабатываемая ВЭУ, определяет­ся по формуле

При использовании теплового насоса или электрического обогревателя затрачивается дополнительная электрическая энергия, которая не учтена в графике нагрузки потребителя. Элек­трическая нагрузка при использовании ТНУ либо электрического обогревателя в любой момент времени рассчитывается с помощью выражения

где Рэл(t) - электрическая нагрузка без учета ис­пользования ТНУ или другого работающего обогревателя; Pтеп(t) - тепловая нагрузка по­требителя; kтну - коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую; ηэн - коэф­фициент полезного действия электрического на­гревателя.

В период времени, когда вырабатываемая мощность на ВЭУ (ВЭС) Nвэу(t) превышает на­грузку потребителя с учетом использования ТНУ либо электрического обогревателя P'эл(t), избы­точную мощность целесообразно аккумулиро­вать. Мощность, передаваемую на электролизер для получения водорода, рассчитываем как

где gH2 -удельная теплота сгорания водорода, gH2 = 120 · IO6 Дж/кг; рщ - плотность водорода, gH2 = 0,09 кг/нм3; 3 600 000 - коэффициент пересчета Дж в κΒτ·4.

Располагаемый объем водорода в момент вре­мени T определяем:

При этом необходимо учесть ограничение по запасу водорода VH2 max = Vб, где Vб - объем баллонов (водородохранилища) для хранения во­дорода.

Мощность, вырабатываемую ДЭХ определяем:

Для определения экономической эффективно­сти исследуемого энергетического комплекса не­обходимо произвести расчет затрат за долгосроч­ный период и сравнить его с соответствующим базовым вариантом энергообеспечения за счет ДЭС. Как правило, расчетный период выбирается с учетом оборудования, имеющего наибольший срок службы.

Решение поставленной задачи представляет­ся неоднозначным и трудоемким, основанным на нескольких сценариях развития мировой эко­номики. Это связано со следующими тенденция­ми:

  • Определение инфляции в долгосрочный пе­риод на сегодняшний день в период кризиса пред­ставляется достаточно неопределенной задачей.
  • Запасы доступного органического топлива постепенно истощаются. На рынке постепенно появляются альтернативные виды топлива: водо­род, синтезгаз, биотопливо. Поэтому в долгосроч­ном периоде изменение цен на топливо (дизель и бензин) не будет коррелировать с инфляцией, как это было раньше, когда повышение цен на то­пливо практически всегда вело к пропорциональ­ному росту цен на основную продукцию. Скорее всего, увеличение цен на топливо будет опере­жать инфляцию, однако трудно дать достаточно надежный прогноз.
  • На сегодняшний день оборудование, ра­ботающее на ВИЭ, стоит достаточно дорого, тем не менее существует устойчивая тенденция к снижению его стоимости за счет запуска его массового производства, а также внедрения но­вых технологий, позволяющих использовать бо­лее дешевые материалы и снижать материалоем­кость изделий.

Очевидно, что наибольшие затраты приходят­ся на первый год. Капитальные вложения в энер­гетический комплекс будут определяться по фор­муле

где WВЭС _ полная стоимость ВЭС, включая до­ставку оборудования и монтаж; WTHУ полн - сто­имость теплового насоса, включая доставку, бурение скважин, монтаж; Wсист ак H2 - полная стоимость системы аккумуляции водорода, вклю­чая стоимость доставки и монтажа электролизе­ра, топливных элементов, компрессора, баллонов для хранения водорода; WдЭC - стоимость всех установок ДЭУ, включая монтаж и доставку; Wвсп об  _ стоимость доставки и монтажа осталь­ного оборудования, необходимого для работы ЭК (трансформаторов, инверторов, источников бесперебойного питания, кабелей и пр.). WВЭС  WTHУ полн Wсист ак H2  ЭC Wвсп об определяются по формулам:

где nвэу- количество ВЭУ; Wвэу- стоимость ВЭУ; Wмонт. ВЭУ _ стоимость монтажа ВЭУ; Wдост. ВЭУ _ стоимость доставки ВЭУ; Wтну- стоимость ТНУ; Wдост. тну _ стоимость доставки ТНУ; Wбур скв - стоимость бурения скважины для ТНУ; Wмонт тну - стоимость монтажа для ТНУ; WТЭ - стоимость ТЭ; Wэ.ра - стоимость электролизера; Убал - стои­мость баллонов (водородохранилища) для хране­ния водорода; Wдост тэ - стоимость доставки ТЭ; Wдост. э-ра _ стоимость доставки электролизера; Wдост. бал _ стоимость доставки баллонов для хра­нения водорода; Wмонт раб - стоимость монтажных работ; nдэу - количество ДЭУ; WДЭУ - стоимость ДЭУ(БЭУ); Wдост ДЭУ(БЭУ) - стоимость достав­ка ДЭУ; Wвсп об _ стоимость вспомогательного оборудования; Wвсп. o6 j- - стоимость j-й единицы вспомогательного оборудования; Wдост всп об j _ стоимость доставкиj-й единицы вспомогательно­го оборудования.

В течение всего срока эксплуатации комплек­са необходимо обеспечить диагностику, плано­вый ремонт и замену оборудования, вовремя за­менять смазочные материалы, закупать дизельное топливо. Все это требует ежегодного вливания денежных средств, необходимых для поддержания ЭК в рабочем состоянии. Ежегодные издержки можно определить:

где Ci - суммарные издержки в i-м году; Свиэ. i - суммарные издержки на оборудование, работаю­щее на основе ВИЭ в i-м году; Cmon i- - издержки на топливо в i-м году; Смаc i - издержки на масло в i-м году; Cвсп об i- - издержки на вспомогатель­ное оборудование в i-м году.

Причем издержки последнего года расчетного периода определяются с учетом ликвидной стои­мости оборудования (31):

где

Cn. г = СВИЭ. п. г = Стоп. п. г = Смас. п. г = Свсп. об. i ИЗ­держки на оборудование, работающее на основе ВИЭ, топливо, масло и вспомогательное оборудо­вание в последнем году эксплуатации ЭК; LВИЭ _ ликвидная стоимость оборудования, работающе­го на основе ВИЭ; Locт об - ликвидная стоимость остального оборудования. Издержки на оборудо­вание ВИЭ определяем по формуле:

Ежегодные издержки на топливо и масло определяются:

Издержки на ремонт Cpeм виэ i замену Cзам виэ i  и эксплуатацию Сэкспл. виэ. i как для оборудова­ния ВИЭ, так и для остального оборудования определяются с учетом следующих соображений. При заказе оборудования завод-изготовитель ука­зывает срок службы оборудования, время работы до капитального ремонта, а также необходимость проведения диагностических работ, которые, как правило, входят в начальную стоимость обо­рудования. Срок службы и время до капитально­го ремонта в первом случае указываются в годах (ВЭУ), во втором - в часах (ДЭУ). Если ресурс оборудования и время капитального ремонта ука­заны в годах, моменты планового ремонта и заме­ны оборудования очевидны. В противном случае необходимо определить среднее число часов рабо­ты соответствующего оборудования в году Tpao6. Затем на полученное значение необходимо разде­лить срок службы оборудования tкап рем об. или время до капитального ремонта tKanpetto6. , данные заво­дом изготовителем (33, 34).

Ежегодные издержки на топливо и масло определяются:

где Cтоп i - издержки на топливо в i-м году; Qтоп. i - расход топлива в i-м году; Cтоп i - цена на топливо в i-м году; Cмac. i - издержки на масло в i-м году; Qмac. i - расход масла в i-м году; Cмac. i - стоимость масла в i-м году.

Основным критерием экономической эффек­тивности являются затраты за весь рассматрива­емый период эксплуатации, приведенные к базис­ному году, определяемые по формуле:

где КЭК - капитальные вложения в энергоком­плекс; ε - коэффициент дисконтирования.

Поскольку энергетический комплекс состоит из некоторого множества взаимозависимых ге­нерирующих и энергопотребляющих элементов, очень важно, чтобы в любой момент времени со­блюдался баланс выработки и потребления элек­троэнергии. Следовательно, необходимо иметь достаточно точные данные по электрической и тепловой нагрузкам и скоростям ветра, которые должны быть зафиксированы или рассчитаны для каждого часа в течение года. Иными словами, для корректного расчета необходимо иметь 8760 приведенных к расчетному году значений скоро­сти ветра для высоты флюгера (желательно иметь данные по ветру для высоты башни, используе­мой в расчете, ВЭУ) и 8760 значений для элек­трической нагрузки. С учетом использования теплового аккумулятора для тепловой нагрузки достаточно иметь среднесуточные данные. Расчет делается для каждого часа отдельно.

При решении поставленной задачи необходи­мо определить оптимальные параметры исследу­емого ЭК, при которых затраты за рассматривае­мый период времени T будут минимальными. Мы должны определить состав и параметры следую­щего оборудования: ВЭУ, ДЭУ, ТНУ, системы ак­кумуляции водорода (в которую входят электро­лизер, топливный элемент, баллоны для хранения водорода, компрессор), ИБП, трансформаторы, инверторы. Очевидно, что, решая данную задачу методом простого перебора, даже при наличии достаточно мощной современной вычислитель­ной машины придется потратить довольно много времени, а значит, необходимо использовать ме­тоды математического программирования.

Результаты проводимых исследований

На рис. 1 продемонстрирован пример работы исследуемого ЭК. Когда скорости ветра позво­ляют работать ВЭУ в оптимальном режиме, вы­рабатываемой мощности достаточно для энерго­обеспечения потребителя и производства водоро­да (зона 2). Как только скорость ветра снижает­ся, а следовательно, и выработка электроэнергии, то недостающую мощность потребитель обеспе­чивает за счет использования произведенного ранее водорода (зоны I и 3). При полном использовании водорода или отказе системы включает­ся ДЭУ (зона 4). Здесь не указана в явном виде работа ТНУ, однако потребляемая ею электриче­ская мощность может входить в состав графика нагрузки.

 

Рис. 1. Пример работы энергокамплекса

(серый квадрат) — ка производство H2, кВт; (зеленый квадрат) — ТЭ, кВт; (голубой квадрат) —ВЭУ, кВт; (черкая черта) — нагрузка потребителя, кВт

 

 

Рис. 2. Зависимость приведенных затрат на исследуемый энергетический комплекс от установленной .мощности ВЭУ

Срок окупаемости ВДЭК для Севера и Даль­него Востока России может составлять от 4 до 12 лет. Достаточно эффективным оказалось ис­пользование ТНУ, при мощности 4 кВт она позво­ляет ежегодно экономить 600 л топлива. Систему аккумуляции водорода целесообразно применять уже при стоимости топлива 100 руб./л.

В рассматриваемых условиях использование энергии ветра крайне эффективно как с эконо­мической, так и с энергетической точки зрения, в силу высоких и достаточно стабильных ско­ростей ветра, которые позволяют применять их с коэффициентом использования установлен­ной мощности от 0,5 до 0,8.

Применение тепловых насосов также может оказаться эффективным для данного региона. ТНУ позволяет дополнительно экономить до 20% топлива для ВДЭК.

В случае использования системы аккумуля­ции на основе водорода возникает ряд существен­ных трудностей при определении оптимальных параметров энергетического комплекса. Если взять ряд значений установленной мощности ВЭУ и для каждого значения рассчитать опти­мальные параметры, то можно получить кривую (рис. 2). Анализируя этот график, можно сказать, что он имеет несколько локальных экстремумов. Приведенная функция зависит только от одного параметра. Реальная функция имеет ряд пере­менных: мощность электролизера, мощность то­пливных элементов, объем баллонов для хране­ния водорода. Это означает, что число локальных экстремумов значительно больше, чем на рис. 2. Данная кривая имеет ярко выраженную зону установленной мощности ВЭУ, где приведенные дисконтированные затраты наименьшие. Ито­говое решение по составу энергетического ком­плекса можно принять, руководствуясь следую­щими соображениями. Чем ниже установленная мощность ВЭУ, ТЭ и электролизера, тем меньше затраты на начальном этапе эксплуатации ЭК, од­нако ежегодные издержки на органическое топли­во выше, и наоборот. Надежность ЭК тем ниже, чем больше последовательных элементов в си­стеме, и выше, если имеются дублирующие эле­менты.

При использовании системы водородной акку­муляции резко возрастает число элементов, рабо­тающих на основе ВИЭ, а значит, обязателен учет изменения цен на данное оборудование. Разница между капитальными вложениями при оптими­стичном и пессимистичном прогнозах изменения цен на оборудование ВИЭ может превышать 20%.

На рис. 3 представлено семейство кривых, отображающих зависимость установленной мощ

ности электролизера от установленной мощно­сти ВЭУ, для фиксированных значений объема водородохранилища при условии полного отказа от использования дизельного топлива. На рис. 4 показана зависимость необходимого объема во­дородохранилища от установленной мощности ВЭУ для фиксированных значений мощности электролизера при тех же условиях.

Анализ данных зависимостей показывает, что с увеличением установленной мощности не­обходимый объем водородохранилища и мощ­ность электролизера уменьшаются. Чем мощнее электролизер, тем меньший объем водородохра­нилища требуется для работы ЭК (данный тезис справедлив при условии, что в период полного заполнения баллонов водородом происходит от­ключение мощностей ВЭУ).

 

Рис. 3. Зависимость установленной мощности электро­лизера от установленной мощности ВЭУ при фиксиро­ванном о&ьеме водородохранилища:

1-2000 нм3; 2-1500 нм3; 3-1000 нм3; 4—500 нм3

 

Рис. 4. Зависимость о&ьема водородохранилища от установленной мощности ВЭУ при фиксированной мощности электролизера:

1-8 кВт; 2-10 кВт; 3-12 кВт; 4-14 кВт

Установленная мощность ТЭ не зависит от ка­ких-либо параметров, кроме нагрузки потреби­теля. Если в ЭК включена ДЭУ(БЭУ), то уста­новленная мощность ТЭ определяется только экономикой.

Особое значение имеет вопрос хранения во­дорода. При решении задачи необходимо вы­брать такие параметры оборудования, которые позволят использовать баллоны с минимальным объемом и отсутствием выбросов при переполне­нии. При этом следует соблюдать баланс: объемы запасенного водорода на начало и на конец года должны быть одинаковыми.

Проведенные расчеты показывают, что уже сегодня возможно создание ЭК на основе ветро­вой, теплонасосной, дизельной установок и си­стемы аккумуляции водорода. При этом имеется возможность отказаться от использования ДЭУ Однако для окончательного решения данного во­проса требуется эксплуатационный опыт. В це­лом же расчеты и исследования показывают вы­сокую энергетическую эффективность комплекса, а при решении проблем доставки топлива - и эко­номическую эффективность.

Выводы

На основании проделанной работы можно заключить следующее. Как правило, в зонах де­централизованного энергоснабжения энергообес­печение осуществляется за счет ДЭУ Энергообес­печение ряда децентрализованных потребителей можно осуществить за счет ВИЭ. Наиболее эф­фективно использовать ВИЭ в ЭК.

С учетом географического положения Рос­сии вообще и рассматриваемых регионов Севера и Дальнего Востока теплоснабжение потребителя приобретает особое значение. В этом контексте ис­пользование ТНУ совместно с установками, гене­рирующими электрическую энергию (например, ВЭУ), можно считать перспективным решением.

Нахождение оптимального состава, параме­тров и определение режима работы оборудования в ЭК, основанном на применении ВИЭ, является достаточно сложной многопараметрической за­дачей, однако в каждом конкретном случае ее ре­шение позволяет наиболее эффективно получать качественную энергию при минимальных затра­тах по сравнению с аналогичными параметрами при использовании традиционных ДЭУ

Список литературы

1. Виссарионов В. И., Шестопалова Т. А., Якушов А. Н. Энергообеспечение ноосферного поселка от возобновляемых источников энергии // Энергосбережение – теория и практика. Труды Четвертой междунар. школы-семинара молодых ученых и специалистов. М.: Издат. дом МЭИ, 2008. С. 276–281.

2. Гулиа Н. В. Удивительная механика. М.: НЦ ЭНАС, 2006. 108 с.

3. Дорошин А. Н., Виссарионов В. И., Кузнецова В. А. Ветроводородный энергетический комплекс для энергоснабжения потребителя// Энергосбережение – теория и практика. Труды Четвертой междунар. школы-семинара молодых ученых и специалистов. М.: Издат. дом МЭИ, 2008. С. 247–251.

4. Дорошин А. Н., Виссарионов В. И., Малинин Н. К. Многофакторный анализ эффективности энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии для энергообеспечения автономного потребителя // Вестник МЭИ. 2011. № 2. С. 45–53.

5. Зубарев В. В., Минин В. А., Степанов И. Р. Использование энергии ветра в районах Севера. Л.: Наука, 1989. 233 с.

6. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии / Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1990. 392 с.

7. Шефтер Я. И. Использование энергии ветра. 2‑-е изд., перераб. и. доп. М.: Энергоатомиздат, 1983. 200 с.

8. Шпильрайн Э. Э., Малышенко С. П., Кулешов Г. Г. Введение в водородную энергетику / Под ред. В. А. Легасова. М.: Энерго-атомиздат, 1984. 264 с.


Об авторах

В. И. Виссарионов
Институт электроэнергетики Национального исследовательского университета «МЭИ»
Россия
Доктор технических наук, профессор кафедры нетрадиционных и  возобновляемых источников энергии


А. Н. Дорошин
Институт электроэнергетики Национального исследовательского университета «МЭИ»
Россия
Ассистент кафедры нетрадиционных и  возобновляемых источников энергии


А. В. Кацай
ООО «Корпорация «Русский сверхпроводник»
Россия
Генеральный директор


А. В. Дорошина
Институт электроэнергетики Национального исследовательского университета «МЭИ»
Россия
Аспирантка кафедры гидромеханики и  гидравлических машин


Для цитирования:


Виссарионов В.И., Дорошин А.Н., Кацай А.В., Дорошина А.В. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ. Стратегические решения и риск-менеджмент. 2012;(2):82-90. https://doi.org/10.17747/2078-8886-2012-2-82-90

For citation:


Vissarionov V.I., Doroshin A.N., Doroshina A.V., Katsai A.V. METHODS OF CALCULATING THE ENERGY INDUSTRY FOR HEAT AND ELECTRICITY CONSUMERS ON THE BASIS OF AUTONOMOUS RENEWABLE ENERGY. Strategic decisions and risk management. 2012;(2):82-90. (In Russ.) https://doi.org/10.17747/2078-8886-2012-2-82-90

Просмотров: 1239


ISSN 2618-947X (Print)
ISSN 2618-9984 (Online)