Электроэнергия. Задачи следующих десятилетий

Развитие электроэнергетики определяется многими факторами, и перед ней постоянно встают новые задачи, призванные изменить способ производства, распределения и использования электроэнергии. В условиях постоянного роста энергопотребления, большая часть которого приходится на развивающиеся страны, региональные различия в способе потребления электроэнергии, скорее всего, будут увеличиваться. В странах с развитой экономикой стареющая инфраструктура порождает сложные проблемы и создает высокий спрос на технологии, которые смогли бы защитить окружающую среду и снизить энергопотребление. В странах с развивающейся и быстрорастущей экономикой большая потребность в электроэнергии вынуждает делать огромные инвестиции в новую инфраструктуру для производства, передачи и распределения электроэнергии [2].

Основной задачей, стоящей перед всеми странами, является надежная передача электроэнергии. Главная проблема кроется здесь в затратах на модернизацию существующих сетей и строительство новых. Особенно остро эта проблема стоит перед производителями оборудования, в связи с недостатком материалов и тем фактом, что стареющие основные фонды требуют все большего и большего обслуживания. Для снижения эксплуатационных расходов и повышения эффективности нужно сфокусировать внимание на снижении энергопотерь и на изменении способов потребления и продажи электроэнергии.

Рост потребностей в электроэнергии происходит почти равномерно, при этом значительная его часть приходится на долю развивающихся стран (с учётом региональных различий в способах выработки, распределения и использования электроэнергии). В странах с развитой экономикой старение энергетической инфраструктуры уже становится непростой проблемой. В странах с прогрессирующей экономикой надо строить новые энергоустановки, а потребность в технологиях, которые позволили бы защитить окружающую среду и снизить интенсивность энергопотребления, становится глобальной (рис.1) [1].

Хотя «набор» источников для выработки энергии вряд ли существенно изменится, тем странам, которые увеличивают в этом «наборе» долю возобновляемых источников, придётся столкнуться с проблемой надёжности своих энергосистем. Сети передачи и распределения электрической энергии во многих местах земного шара работают почти на пределе своих возможностей и, хотя сооружаются новые сети, особенно в странах Азии с быстро развивающейся экономикой, их сооружение отстаёт от растущих потребностей в электроэнергии.

Рис. 1. Мировое потребление электроэнергии в 2002–2025гг. в млрд кВт/ч (источник: Международное Агентство Энергетики)

Сбережение электроэнергии прямо влияет на производство, бизнес и домашнее хозяйство. Технологии, способствующие энергосбережению или повышению эффективности, распространяются всё больше. Снизить потери в сетях можно за счёт применения силовых полупроводниковых приборов с малыми собственными потерями и высоким КПД. Устойчивую экономию электроэнергии можно достичь применением более совершенных электродвигателей и регулируемых приводов, содержащих узлы силовой электроники [1].

Спрос на электроэнергию тесно связан с экономическим ростом, особенно в странах с быстроразвивающейся экономикой. По оценкам Международного энергетического агентства (IEA) в период с 2007 по 2030 год суммарное энергопотребление в странах с развивающейся экономикой будет расти в среднем на 4 процента в год. В отличие от этого, прогнозируемый рост энергопотребления в странах с развитой экономикой составит в среднем 1,5 процента в год, а в странах Восточной Европы и бывшего Советского Союза с переходной экономикой — в среднем 3,5 процента. Ожидается, что лидерами роста энергопотребления будут Китай и США, которые за эти 23 года увеличат ежегодное потребление электроэнергии на три и два миллиарда киловатт-часов, соответственно.

Самый медленный рост энергопотребления ожидается в Западной Европе и Японии — на уровне 0,4 и 0,6 процента, соответственно, в коммунальном секторе, и 0,8 и 0,9 процентов, соответственно, в коммерческом секторе. Основными причинами столь малого роста энергопотребления являются стабильный уровень или даже небольшое снижение численности населения, распространение информационных и коммуникационных технологий и переход на экономичные способы обогрева и охлаждения [2].

Ожидается, что в ближайшие два десятилетия, обширный рост потребления электроэнергии сохранится на прежнем уровне и потребует порядка 10 000 миллиардов долларов вложений в новую электрическую инфраструктуру, причем почти половина этой суммы будет потрачена на системы передачи и распределения.

В настоящее время многие электрические компании основной своей задачей считают повышение надежности. Влияние низкой надежности на общество в целом может быть весьма разрушительным.

Одновременно с надежностью, все больше внимания уделяется качеству поставляемой энергии. Некоторым отраслям, таким как нефтехимическая или полиграфическая промышленность, а также больницам и другим критическим потребителям необходимо электропитание высокого качества. Потребность в качественной электроэнергии особенно высока в странах с развитой экономикой с обширной информационной и коммуникационной инфраструктурой, но в ближайшие десятилетия превратится, скорее всего, в глобальную проблему.

Усилия, направленные на снижение энергопотерь, стимулируются также факторами, связанными с охраной окружающей среды.

В среднем системы передачи и распределения электроэнергии теряют от 6 до 7 процентов передаваемой энергии.

Потери электроэнергии в развивающихся странах оцениваются в 30 процентов, хотя здесь важно различать технические и коммерческие потери (последние учесть невозможно и вызваны они, как правило, нелегальными подключениями). Технические потери редко превышают 20 процентов.

Высокий уровень коммерческих потерь может оказывать разрушительное воздействие на системных операторов: если они не смогут собрать полученную прибыль, они не смогут накопить достаточно средств для инвестиций.

Причем к снижению затрат стремятся не только электрические компании. Экономия электроэнергии оказывает непосредственное влияние на работу промышленных предприятий, коммерческих компаний и коммунального сектора. Это порождает спрос на экономичное электрооборудование, такое как двигатели, приводы и бытовые приборы [2].

Технический и информационный прогресс не стоят на месте, существует множество разработок и технологий снижения потерь и повышения энергоэффективности.

Так, новые технологии для промышленных и коммерческих приложений, такие как встроенные системы обогрева и охлаждения в зданиях, улучшенные типы аккумуляторов для гибридных автомобилей и широкое распространение скоростных поездов повысят спрос на качественную электроэнергию. Технологический прогресс в области ветровых установок изменит структуру потоков энергии в электросетях, аналогичный эффект окажут новые типы генераторов на низковольтной стороне и крупные ветровые электростанции.

Развитие технологий статической компенсации реактивной мощности и накопления энергии позволит подключать к существующим сетям новые источники электроэнергии. Новые типы аккумуляторов, более компактные, нежели традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы, уже оказали заметное воздействие, но все же остаются частными случаями решения проблемы. В качестве других способов сохранения энергии путем преобразования ее в другую форму, используются маховики, сжатый воздух, гидроэлектростанции с накачкой.

Для повышения пропускной способности электросетей давно используются фазосдвигающие трансформаторы и продольные компенсаторы. Силовые электронные устройства позволяют управлять электросетями, а новые гибкие системы передачи переменного тока (FACTS) повышают управляемость. Новые концепции, подобные унифицированному контроллеру энергетических потоков (UPFC) и трансформатору переменной частоты (VFT), еще должны завоевать доверие потребителей. Системы мониторинга, подобные фазорным измерительным приборам, постепенно внедряются в сети передачи электроэнергии и, если получат широкое распространение, смогут улучшить характеристики системы в предельных режимах.

Также, новые технологии должны упростить техническое обслуживание. Переход с масляной изоляции на сухую и от пружинных приводов к электрическим в автоматических выключателях является примером внедрения информационных технологий в процессы технического обслуживания. Онлайновый анализ первичного оборудования, такого как трансформаторы, облегчается за счет применения специальных программ, которые позволяют оценивать состояние оборудования в реальном масштабе времени. Имеется также и постоянно совершенствуется программа оценки риска для профилактического обслуживания критических компонентов сети.

Все шире распространяются технологии, экономящие энергию или повышающие КПД. Силовые полупроводниковые приборы с высоким КПД снижают потери в электросетях, новые методы обработки материалов, подобные лазерной резке пластин трансформаторов, и улучшенные свойства самих материалов могут привести к дополнительному повышению эффективности. Традиционные лампы накаливания заменяются электролюминесцентными лампами, а с недавнего времени — светодиодами. Кроме того, постоянное снижение потерь электроэнергии достигается за счет применения более совершенных двигателей и регулируемых приводов на основе силовых электронных устройств.

Также существуют следующие способы снижения потерь: применение сверхпроводящих материалов (сейчас уже имеется несколько типов сверхпроводящих материалов, среди которых самым новым является диборид магния); применение материалов с хорошей изоляционной способностью; компактные автоматические выключатели и коммутационное оборудование с газовой изоляцией (занимают меньше места и позволяют устанавливать подстанции внутри помещений); замена маслобумажной изоляции изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) (позволит вдвое увеличить допустимую длину кабелей переменного тока и сделала экономически выгодной прокладку длинных подземных высоковольтных линий постоянного тока (HVDC)); оборудование домов счетчиками, измеряющими почасовое потребление (почасовая тарификация) [2].

С каждым годов в сфере энергетики появляются все новые проблемы, связанные как с ростом потребления электрической энергии, так и с улучшением ее качества, повышением надежности и эффективности энергоснабжения, решать которые нужно с помощью новых инновационных технологий и мероприятий.

Разработки и технологии, рассмотренные в данной статье, помогут достичь поставленных задач по снижению потерь энергии и повышению энергоэффективности на следующие десятилетия, но предстоит еще преодолеть немало препятствий по внедрению этих мероприятий.

Литература:

1.      Ф. Пиннекамп. Мир в 2015 году — тенденции и движущие силы. [Электронный ресурс] URL: http://www.energyfoto.ru/

2.      Б.Юкер, П.Леупп, Т. Сьоквист. Электроэнергия. [Электронный ресурс] URL: http://www.energyfoto.ru/