Возобновляемая энергетика: решение проблем и использование возможностей интеграции в электросети

Переход к устойчивому энергетическому будущему в значительной степени зависит от успешной интеграции возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в существующие электросети. Хотя ВИЭ, такие как солнечная, ветровая и гидроэнергетика, предлагают огромный потенциал для сокращения выбросов углерода и повышения энергетической безопасности, их присущие характеристики создают уникальные проблемы для операторов сетей. Это всеобъемлющее руководство исследует сложности интеграции возобновляемой энергии в электросети, изучая ключевые проблемы, инновационные решения и лучшие мировые практики, формирующие будущее энергетики.

Понимание основ интеграции в электросети

Интеграция в электросети относится к процессу подключения источников генерации возобновляемой энергии к электрической сети безопасным, надежным и эффективным способом. Это включает в себя управление прерывистым характером ВИЭ, поддержание стабильности сети и обеспечение бесперебойного потока электроэнергии к потребителям. Традиционная электроэнергетическая сеть, разработанная в основном для централизованной генерации от ископаемого топлива и ядерной энергии, требует значительной адаптации для учета переменного и распределенного характера возобновляемой энергии.

Ключевые характеристики возобновляемых источников энергии и их влияние на сеть

• Прерывистость: Выработка солнечной и ветровой энергии сильно зависит от погодных условий, что приводит к колебаниям в электроснабжении. Эта прерывистость может создавать проблемы для поддержания стабильности сети и требует сложных методов прогнозирования и управления.
• Изменчивость: Даже в солнечный или ветреный день выработка солнечной и ветровой энергии может значительно меняться за короткие периоды времени, влияя на способность сети балансировать спрос и предложение.
• Распределенная генерация: Многие установки возобновляемой энергии, такие как солнечные панели на крышах, расположены ближе к потребителям, что приводит к более децентрализованной электросети. Это требует изменений в сетевой инфраструктуре и системах управления.
• Ограничения по местоположению: Ресурсы возобновляемой энергии часто расположены в отдаленных районах, что требует линий электропередач большой протяженности для доставки электроэнергии в населенные пункты.

Основные проблемы интеграции возобновляемой энергии в электросети

Интеграция больших объемов возобновляемой энергии в сеть создает ряд технических, экономических и регуляторных проблем.

Технические проблемы

• Стабильность и надежность сети: Поддержание частоты и напряжения сети в приемлемых пределах имеет решающее значение для обеспечения надежной работы электрооборудования и предотвращения отключений электроэнергии. Изменчивость ВИЭ может затруднить поддержание стабильности сети, особенно в периоды высокого проникновения возобновляемой энергии.
• Перегрузка линий электропередач: Существующая инфраструктура передачи может быть неадекватной для обработки увеличенного потока электроэнергии от возобновляемых источников энергии, что приводит к перегрузке и сокращению выработки возобновляемой энергии.
• Регулирование напряжения: Распределенный характер генерации возобновляемой энергии может привести к колебаниям напряжения в распределительных сетях, требующим передовых методов регулирования напряжения.
• Качество электроэнергии: Инверторы возобновляемой энергии могут вызывать гармоники и другие проблемы качества электроэнергии в сети, потенциально влияя на работу чувствительного электронного оборудования.
• Точность прогнозирования: Точное прогнозирование выработки возобновляемой энергии необходимо для того, чтобы операторы сети могли эффективно управлять спросом и предложением. Однако прогнозирование выработки солнечной и ветровой энергии может быть сложной задачей из-за сложности погодных условий.

Экономические проблемы

• Инвестиционные затраты: Модернизация сетевой инфраструктуры для размещения возобновляемой энергии требует значительных инвестиций в линии электропередач, подстанции и технологии интеллектуальных сетей.
• Операционные расходы: Интеграция возобновляемой энергии может увеличить операционные расходы для операторов сетей из-за необходимости более частых корректировок диспетчеризации и вспомогательных услуг.
• Дизайн рынка: Существующие схемы электроэнергетического рынка могут неадекватно компенсировать производителям возобновляемой энергии ту ценность, которую они предоставляют сети, что препятствует инвестициям в проекты возобновляемой энергии.
• Распределение затрат: Определение того, как распределять затраты на модернизацию сети и операционные расходы между различными заинтересованными сторонами, может быть сложным и спорным вопросом.

Регуляторные и политические проблемы

• Разрешение и размещение: Получение разрешений на проекты возобновляемой энергии и линии электропередач может быть длительным и сложным процессом, задерживающим разработку проекта.
• Стандарты межсоединений: Необходимы четкие и последовательные стандарты межсоединений, чтобы гарантировать, что производители возобновляемой энергии могут подключаться к сети безопасно и эффективно.
• Политика учета нетто: Политика учета нетто, которая позволяет потребителям получать кредит за электроэнергию, которую они генерируют от солнечных панелей на крыше, может повлиять на экономику проектов возобновляемой энергии и потоки доходов коммунальных предприятий.
• Стандарты портфеля возобновляемой энергии (RPS): Политика RPS, которая требует от коммунальных предприятий генерировать определенный процент своей электроэнергии из возобновляемых источников, может стимулировать спрос на возобновляемую энергию и способствовать интеграции в сеть.
• Отсутствие политической определенности: Непоследовательная или непредсказуемая государственная политика может создать неопределенность для инвесторов и воспрепятствовать развитию проектов возобновляемой энергии.

Инновационные решения для интеграции в электросети

Решение проблем интеграции возобновляемой энергии в электросети требует многогранного подхода, включающего технологические достижения, политические реформы и рыночные инновации.

Технологии интеллектуальных сетей

• Передовая инфраструктура учета (AMI): Интеллектуальные счетчики предоставляют данные о потреблении электроэнергии в режиме реального времени, что позволяет коммунальным предприятиям лучше управлять спросом и интегрировать распределенную генерацию.
• Системы измерений большой площади (WAMS): WAMS используют синхронизированные датчики для мониторинга состояния сети на большой площади, обеспечивая раннее предупреждение о потенциальной нестабильности и обеспечивая более быструю реакцию на нарушения.
• Блоки фазорных измерений (PMU): PMU обеспечивают измерения фазоров напряжения и тока с высоким разрешением, что позволяет операторам сети контролировать стабильность сети в режиме реального времени и обнаруживать потенциальные проблемы до того, как они приведут к отключениям электроэнергии.
• Передовая автоматизация распределения (ADA): Системы ADA используют датчики, средства управления и коммуникационные технологии для автоматизации работы распределительных сетей, повышая эффективность и надежность.

Технологии накопления энергии

• Аккумуляторное хранение: Системы аккумуляторного хранения могут накапливать избыточную возобновляемую энергию в периоды высокой выработки и высвобождать ее в периоды низкой выработки, помогая сглаживать изменчивость ВИЭ и улучшать стабильность сети. Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время являются доминирующей технологией, но также разрабатываются другие технологии, такие как проточные аккумуляторы и твердотельные аккумуляторы. Крупномасштабные проекты хранения аккумуляторов развертываются по всему миру, от Калифорнии до Австралии, демонстрируя их потенциал для поддержки интеграции в сеть.
• Гидроаккумулирование: Гидроаккумулирование включает в себя перекачивание воды из нижнего водохранилища в верхнее водохранилище в периоды низкого спроса на электроэнергию и сброс ее обратно вниз для выработки электроэнергии в периоды высокого спроса. Гидроаккумулирование — это зрелая технология с длительным сроком службы, которая может обеспечить крупномасштабную емкость накопления энергии.
• Накопление энергии сжатого воздуха (CAES): Системы CAES накапливают энергию путем сжатия воздуха и хранения его в подземных пещерах или резервуарах. Затем сжатый воздух выпускается для привода турбины и выработки электроэнергии.
• Тепловое хранение энергии: Системы теплового хранения энергии накапливают энергию в виде тепла или холода, которые могут использоваться для отопления, охлаждения или выработки электроэнергии.

Передовые методы прогнозирования

• Машинное обучение: Алгоритмы машинного обучения можно использовать для повышения точности прогнозов выработки солнечной и ветровой энергии путем анализа исторических данных, погодных условий и других соответствующих факторов.
• Численное прогнозирование погоды (NWP): Модели NWP используют сложные компьютерные симуляции для прогнозирования погодных условий, которые можно использовать для прогнозирования выработки возобновляемой энергии.
• Спутниковые снимки: Спутниковые снимки могут предоставлять данные о облачном покрове и солнечной радиации в режиме реального времени, которые можно использовать для улучшения прогнозов выработки солнечной энергии.
• Ансамблевое прогнозирование: Ансамблевое прогнозирование включает в себя запуск нескольких погодных моделей с немного разными начальными условиями для получения диапазона возможных результатов. Это может помочь операторам сети оценить неопределенность, связанную с прогнозами возобновляемой энергии, и принимать более обоснованные решения.

Программы реагирования на спрос

• Тарифы, зависящие от времени использования: Тарифы, зависящие от времени использования, побуждают потребителей переносить потребление электроэнергии на часы пиковой нагрузки, когда выработка возобновляемой энергии, как правило, выше.
• Прямой контроль нагрузки: Прямой контроль нагрузки позволяет коммунальным предприятиям удаленно контролировать определенные приборы, такие как кондиционеры и водонагреватели, в периоды высокого спроса или низкой выработки возобновляемой энергии.
• Программы, основанные на стимулах: Программы, основанные на стимулах, вознаграждают потребителей за сокращение потребления электроэнергии в часы пиковой нагрузки.

Микросети и виртуальные электростанции

• Микросети: Микросети — это локализованные энергетические сети, которые могут работать независимо от основной электросети, обеспечивая надежный источник электроэнергии для домов, предприятий и сообществ. Они часто включают возобновляемые источники энергии и хранение энергии. Например, островные государства, такие как государства Тихого океана, все чаще полагаются на микросети, работающие на солнечной энергии и аккумуляторах, чтобы снизить свою зависимость от импортируемого ископаемого топлива.
• Виртуальные электростанции (VPP): VPP объединяют распределенные энергетические ресурсы, такие как солнечные панели на крышах, системы хранения аккумуляторов и электромобили, в единую виртуальную электростанцию, которой могут управлять и отправлять операторы сети.

Модернизация и расширение сети

• Модернизация инфраструктуры передачи: Инвестиции в новые линии электропередач и модернизация существующей инфраструктуры необходимы для транспортировки возобновляемой энергии из отдаленных районов в населенные пункты.
• Умные подстанции: Умные подстанции используют передовые датчики, средства управления и коммуникационные технологии для повышения надежности и эффективности распределения электроэнергии.
• Передача постоянного тока высокого напряжения (HVDC): Передача HVDC — это экономичный способ передачи больших объемов электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями. Проекты HVDC становятся все более распространенными, особенно для подключения морских ветряных электростанций к материку.

Лучшие мировые практики в области интеграции в электросети

Несколько стран и регионов мира лидируют в области интеграции возобновляемой энергии в электросети, демонстрируя возможность интеграции высокого уровня ВИЭ в электросеть.

Дания

Дания имеет один из самых высоких показателей проникновения ветровой энергии в мире, при этом ветровая энергия составляет более 50% ее выработки электроэнергии. Дания достигла этого за счет значительных инвестиций в инфраструктуру передачи, разработки передовых методов прогнозирования и внедрения гибких методов управления сетью.

Германия

Германия является пионером в развертывании возобновляемой энергии, значительная часть ее электроэнергии вырабатывается от солнечной и ветровой энергии. Германия внедрила политику поддержки развития возобновляемой энергии, включая тарифы поддержки и стандарты портфеля возобновляемой энергии. Германия также сталкивается с проблемами, связанными с перегрузкой сети и необходимостью модернизации сети.

Калифорния

Калифорния ставит перед собой амбициозные цели в области возобновляемой энергии, стремясь к достижению 100% чистой электроэнергии к 2045 году. Калифорния реализовала политику продвижения развития возобновляемой энергии и инвестировала в хранение энергии и модернизацию сети для эффективной интеграции ВИЭ.

Южная Австралия

В Южной Австралии высокое проникновение ветровой и солнечной энергии, и в результате она столкнулась с некоторыми проблемами со стабильностью сети. Южная Австралия вложила значительные средства в хранение аккумуляторов и другие технологии стабилизации сети для решения этих проблем.

Китай

Китай является крупнейшим в мире производителем возобновляемой энергии и быстро наращивает свои мощности по возобновляемой энергии. Китай сталкивается с проблемами, связанными с интеграцией в сеть, из-за масштабов развертывания возобновляемой энергии и неравномерного распределения ресурсов возобновляемой энергии.

Политические рекомендации по успешной интеграции в электросети

Чтобы ускорить интеграцию возобновляемой энергии в сеть, политики должны рассмотреть следующие рекомендации:

• Установить четкие и последовательные политические рамки: Четкая и предсказуемая политика необходима для привлечения инвестиций в проекты возобновляемой энергии и сетевую инфраструктуру.
• Продвигать рыночные решения: Механизмы, основанные на рыночных принципах, такие как ценообразование на выбросы углерода и сертификаты возобновляемой энергии, могут помочь стимулировать развитие возобновляемой энергии и интеграцию в сеть.
• Инвестировать в модернизацию и расширение сети: Необходимы значительные инвестиции для модернизации и расширения сетевой инфраструктуры для размещения возобновляемых источников энергии.
• Поддерживать исследования и разработки: Необходимы постоянные исследования и разработки для разработки новых технологий и решений для интеграции в сеть.
• Способствовать сотрудничеству и координации: Сотрудничество и координация между государственными учреждениями, коммунальными предприятиями, разработчиками возобновляемой энергии и другими заинтересованными сторонами необходимы для успешной интеграции в сеть.
• Упростить процессы выдачи разрешений: Упрощение и ускорение процессов выдачи разрешений может помочь снизить задержки и затраты, связанные с проектами возобновляемой энергии и линиями электропередач.
• Развивать региональные организации по передаче электроэнергии (RTO): RTO могут помочь повысить эффективность и надежность сети за счет координации планирования передачи и операций в нескольких штатах или регионах.

Будущее возобновляемой энергии и интеграции в электросети

Интеграция возобновляемой энергии в сеть — это непрерывный процесс, и постоянные инновации имеют решающее значение для решения проблем быстро меняющегося энергетического ландшафта. По мере того, как технологии возобновляемой энергии продолжат совершенствоваться и становиться более конкурентоспособными по стоимости, а сетевые технологии станут более сложными, интеграция возобновляемой энергии станет еще более плавной и эффективной.

Будущее возобновляемой энергии и интеграции в сеть, вероятно, будет характеризоваться:

• Повышенным проникновением возобновляемой энергии: Возобновляемая энергия будет продолжать расти как доля мировой выработки электроэнергии, что обусловлено опасениями по поводу изменения климата и снижением стоимости технологий возобновляемой энергии.
• Более широким использованием хранения энергии: Хранение энергии будет играть все более важную роль в сглаживании изменчивости возобновляемой энергии и повышении стабильности сети.
• Более интеллектуальными сетями: Технологии интеллектуальных сетей будут внедряться все шире, что позволит операторам сети лучше управлять распределенной генерацией и реагированием на спрос.
• Более децентрализованными энергетическими системами: Микросети и виртуальные электростанции станут более распространенными, обеспечивая более устойчивое и устойчивое энергоснабжение.
• Электрификацией транспорта и отопления: Электрификация транспорта и отопления увеличит спрос на электроэнергию и создаст новые возможности для интеграции возобновляемой энергии.

Заключение

Интеграция возобновляемой энергии в электросети — сложная, но важная задача для достижения устойчивого энергетического будущего. Решая проблемы и внедряя инновационные решения, мы можем раскрыть весь потенциал возобновляемых источников энергии и создать более чистую, надежную и доступную энергетическую систему для всех. Приведенные глобальные примеры подчеркивают различные подходы, применяемые для интеграции возобновляемых источников энергии, и предлагают ценные уроки для стран на разных этапах их энергетического перехода. Непрерывное сотрудничество, инновации и политическая поддержка имеют решающее значение для продвижения по пути к полностью интегрированной и декарбонизированной энергетической сети.