Континентальная Европейско-Азиатская Энергетическая Система (КЕАЭС) впервые была предложена на отборочном этапе Международного инженерного чемпионата «CASE-IN» по направлению «Электроэнергетика» в Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова. Участникам «CASE-IN» было предложено модернизировать энергосистему стран СНГ и Балтии. Но, как показал предварительный анализ, какая-либо модернизация энергосистемы других государств, особенно стран Балтии, Украины и Грузии, сопряжена со множеством различных проблем, основными из которых являются технические, экономические и политические проблемы. Поэтому, для реализации любого подобного проекта, требуется не только комплексный подход, но и заинтересованность всех стран участниц.
Коваленко С. В., Сычёв Д. А., Толстопятов В. Б., Сташко В. И.
Аннотация: В статье предлагается вариант объединения энергосистем Европы, России и Азии с одновременным снижением потерь, путем передачи электроэнергии на большие расстояния посредством ЛЭП постоянного тока. К достоинствам ЛЭП постоянного тока трансконтинентальной протяженности относятся: уменьшение потерь, исключение вставок постоянного тока, увеличение пропускной способности, увеличивается надежность за счет резервного 3-го проводника, и возможность подключения к энергосистеме систем микрогенерации на основе ВИЭ. Публикация основана на материалах отборочного этапа Международного инженерного чемпионата «CASE-IN» в Алтайском государственном техническом университете.
Ключевые слова: энергосистема, линии электропередачи, постоянный ток, энергетический переход, электроэнергия, возобновляемые источники энергии.
EFFICIENT ENERGY SYSTEM FROM LISBON TO SHANGHAI-ENERGY SILK ROAD
Kovalenko S. V., Sychev D. A., Tolstopyatov V. B., Stashko V. I.
Abstract: the article suggests a variant of combining the power systems of Europe, Russia and Asia with a simultaneous reduction of losses by transmitting electricity over long distances via DC power lines. The advantages of a DC power line of transcontinental length include: reducing losses, eliminating DC inserts, increasing throughput, increasing reliability due to the backup 3rd conductor, and the ability to connect microgeneration systems based on RES to the power system. The publication is based on the materials of the qualifying stage Of the international engineering championship «CASE-IN» at the Altai state technical University.
Keywords: power system, transmission lines, direct current, energy transition, electricity, renewable energy sources.
Чем можно заинтересовать любое государство, которое проводит свою собственную независимую энергетическую политику?
Согласно актуального прогноза развития энергетики мира и России, рост мирового первичного энергопотребления идет на спад и к 2040 году снизится более чем в 10 раз. Сегодня уже окончательно стало ясно, что фундаментальные изменения в мировой энергетической системе стали более динамичными, и связано это, главным образом, с двумя основными факторами:
- Бурный рост технологических инноваций в энергетике;
- Изменение государственных приоритетов в области энергетической политики.
С инновациями всё более-менее понятно. Технологии развиваются по экспоненте, и по некоторым прогнозам, уже в не таком уж и далеком будущем (2040-2050 гг.) настанет такой момент (технологическая сингулярность), когда технологическое развитие станет неуправляемым и необратимым. Но, такой прогноз связан только лишь с появлением искусственного суперинтеллекта. А так как пока еще с обычным искусственным интеллектом не всё еще однозначно, то, как минимум еще 20 лет, ожидать взрывного неконтролируемого развития технологий не приходится.
Инновации – это всего лишь новшества, востребованные рынком. Т.е., инновационная продукция или услуги хорошо продаются, так как обеспечивают повышение эффективности каких-либо процессов, улучшение качество продукции, и т.д. и т.п.
Почему меняются государственные приоритеты в области энергетической политики, и с чем это связано?
С точки зрения потребителей, все энергетические ресурсы можно разделить на две группы – первичные и вторичные энергетические ресурсы.
На рисунке 1 первичные и вторичные источники энергии представлены так, как они представляются потребителями, т.е., это просто источники энергии.
Рисунок 1 - Первичные и вторичные источники энергии
Первичные источники энергии также разделяются на две группы, на возобновляемые (ВИЭ), и невозобновляемые источники энергии.
К невозобновляемым источникам энергии относятся: органическое, ядерное и термоядерное топливо.
К возобновляемым источникам энергии относятся: энергия солнца, воды и ветра, геотермальная энергия и энергия биомассы.
Если посмотреть на основные прогнозные показатели (рисунок 2) 2019 г., то нельзя не заметить достаточно существенный разброс экспертных оценок.
Как видно из рисунка 2, спрос на первичные энергоресурсы при существующих тенденциях развития будет падать, и до 2040 г. вырастет не более, чем на 420 млн т н. э. (данные OPEC) – 900 млн т н. э. (данные BP), по сравнению с уровнем потребления 2017 года (14 000 млн т н. э.).
В 2000 г. энергопотребление (по всем видам топлива) было на уровне 10 000 млн т н. э., и за прошедшие 20 лет, оно возросло на 5-6 тыс. млн т н. э. А последующие 20 лет, по самым оптимистичным прогнозам, рост первичного энергопотребления составит максимум 0,5 тыс. млн т н. э.
Прогноз IRENA - Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, согласно которому энергопотребление к 2040 г. наоборот, снизится на 100 млн т н. э., кардинально меняет картину прогноза. А это, мягко говоря, создает огромную неопределённость, и при определённых обстоятельствах (политическая, экономическая нестабильность, и др.) может вызвать реальную угрозу энергобезопасности государства.
International Renewable Energy Agency – достаточно молодая международная организация, созданная в 2009 году (штаб-квартира в Абу-Даби, ОАЭ, 154 государства), и её прогнозы являются наиболее адекватными.
Рисунок 2 - Первичное энергопотребление в мире к 2040 г. млн т н. э.
Сценарный прогноз потребления электроэнергии по регионам мира в ТВт×ч представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Прогноз потребления электроэнергии в мире (ТВт×ч)
Основная часть роста потребления электроэнергии приходится на Азию – это около 80%, причем доля Китая в этом объеме составляет почти 60%. В США потребление электроэнергии снизилось в 2017 г. на 1%, но, в 2018 г. рост продолжился (2,2%), в основном, за счет жилого сектора. В Европе электропотребление в 2018 г. оставалось стабильным, лишь немного снизилось Германии и во Франции. В России, так же, как и в Канаде, Бразилии, Африке, Ближнем Востоке (Иран), и др. странах потреблению электроэнергии способствовал экономический рост (промышленный спрос).
В прогнозе развития энергетики мира и России 2019, рассматривались три основных сценария:
- Консервативный;
- Инновационный;
- Сценарий энергоперехода.
Консервативный сценарий предполагает сохранение текущей ситуации как в развитии технологий, так и с точки зрения государственной политики - фактически этот сценарий предусматривает сохранение текущих трендов.
Инновационный сценарий предполагает ускорение развития технологий и, главное, снятие препятствий на пути их международного трансфера. Данный сценарий предполагает усиление уже принятых национальных приоритетов в продвижении ВИЭ, поддержке электротранспорта, стимулировании энергоэффективности.
Сценарий Энергоперехода предполагает ускорение НТП и фокусировку энергополитики всех стран мира на декарбонизации.
Чем Энергопереход отличается от инновационного сценария?
Основное отличие в том, что в сценарии Энергоперехода приоритет всегда будет за безуглеродными, в крайнем случае, низкоуглеродными технологиями.
Впервые термин «энергетический переход» был предложен Вацловом Смилом в книге «Энергетические переходы: история, требования, перспективы» (Energy Transitions: History, Requirements, Prospects) (рисунок 4). Он использовал этот термин «для описания изменения структуры первичного энергопотребления и постепенного перехода от существующей схемы энергообеспечения к новому состоянию энергетической системы».
Рисунок 4 – В. Смил, «Энергетические переходы: История, Требования, Перспективы» (2010), «Энергетические переходы: глобальные и национальные перспективы (второе расширенное и обновленное издание)» (2016)
Текущий, четвертый Энергопереход - это очередное фундаментальное преобразование мирового энергетического сектора. Динамика мирового энергопотребления по видам топлива с 1860 по 2040 годы, представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Динамика мирового энергопотребления по видам топлива
Каждый последующий энергетический переход – это результат коренных изменений в технологиях, которые позволяют существенно изменить структуру первичного энергопотребления.
Вообще «энергетический переход» - это перевод немецкого термина «Energiewende». И впервые этот термин был использован в 1980 г. в публикации Института прикладной экологии Германии. Называлась публикация так: «Энергетический поворот. Рост и благосостояние без нефти и урана». В данной работе доказывалась возможность экономического роста и устойчивого энергоснабжения без использования атомной энергии – за счёт возобновляемой энергетики.
С количественной точки зрения Энергопереход можно определить, как сокращение на 10 % доли рынка определенного энергоресурса за 10 лет. Именно 4-й энергопереход и задает те тенденции в мировой экономике, которые мы сегодня и наблюдаем.
В электроэнергетике быстро развивается децентрализованная генерация. Потребители превращаются в активных участников энергетического рынка (рисунок 6). Из-за этого возникают проблемы излишков электроэнергии. Требуется ее перераспределение по часовым поясам или накопление.
Рисунок 6 - Развитие ВИЭ и распределенной энергетики в странах Европы
Особенно быстро развиваются ВИЭ в Европейской части. Например, доля выработки электроэнергии в Германии составляют более 35 %. Для сравнения в России, доля генерации ТЭС - более 60 %. На основе ВИЭ (кроме гидроэнергетики), планируется ввести около 4 ГВт до 2024 года, это чуть более 1,6 %.
Проблема возникновения переизбытка генерации, в условиях, когда потребление электроэнергии снижается, а микрогенерация бурно развивается, может быть решена либо путем созданием эффективных промышленных накопителей большой емкости, либо с помощью систем перераспределения излишков генерации. Во втором случае, необходимо расширить суточный часовой диапазон пиковых нагрузок, который согласно проведенным расчетам, может составлять 5-7 часов.
Одним из наиболее эффективных методов перераспределения потоков электроэнергии является, является объединение нескольких энергосистем, расположенных в разных часовых поясах. Но, объединение двух и более независимых энергосистем в единую, сопряжено с двумя основными проблемами. Первая проблема связана с тем, что управление энергосистемой требует единого управляющего центра. Вторая проблема, это невозможность объединения энергосистем, без синхронизации их по частоте. Даже если частота тока в энергосистемах совпадает, например, 50 Гц, то всё равно, существует ряд технических проблем, делающих объединение энергосистем невозможным.
В настоящее время энергосистемы объединяют посредством вставок постоянного тока. Но, такой способ не решает проблему потерь в ЛЭП, особенно если речь идет о линиях большой протяженности.
Решить проблему объединения энергосистем, и, при этом, снизить в них потери, можно только одним единственным путем - передавать электроэнергию на большие расстояния посредством ЛЭП постоянного тока.
Достоинства ЛЭП постоянного тока следующие:
- Уменьшение потерь.
- Исключение вставок постоянного тока.
- Увеличивается пропускная способность.
- Увеличивается надежность за счет резервного 3-го проводника, а в четырехпроводных системах с изолированной нейтралью или в двухцепных ЛЭП, надежность увеличивается вдвое.
- Возможность подключения к энергосистеме систем микрогенерации на основе ВИЭ.
Вариант объединения энергосистем Европы, России и Азии, был предложен в Алтайском государственном техническом университете, в ходе отборочного этапа Международного инженерного чемпионата «CASE-IN».
Команда кафедры ЭПП «Электромагнитный импульс» предложила кардинальное решение проблемы технологической модернизации энергообъединения стран СНГ и Балтии, путем создания транснациональной энергосистемы постоянного тока, объединяющей государства Евросоюза, России и Китая.
Авторы проекта «Континентальная Европейско-Азиатская Энергетическая Система»:
Коваленко Сергей Викторович, Сычёв Дмитрий Андреевич, Толстопятов Виктор Борисович, Сташко Василий Иванович - кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий», Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, г. Барнаул, 2020 г.
Ссылка для цитирования:
Коваленко С. В., Сычёв Д. А., Толстопятов В. Б., Сташко В. И. Эффективная энергосистема от Лиссабона до Шанхая - энергетический Шёлковый путь // Электронный журнал «Энерджинет». – 2020. – URL: http://nopak.ru/keaes
CASE-IN. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
«Технологическая модернизация энергообъединения стран СНГ и Балтии»
ЭНЕРГОСИСТЕМЫ СТРАН СНГ И БАЛТИИ (ЕЭС/ОЭС) И СИНХРОННАЯ ЗОНА
ЭНЕРГООБЪЕДИНЕНИЕ СТРАН СНГ И БАЛТИИ (ЕЭС/ОЭС)
АССОЦИАЦИЯ СИСТЕМНЫХ ОПЕРАТОРОВ GO15
ПАРТНЁРЫ ЧЕМПИОНАТА
