Промышленные микрогриды и активные энергетические комплексы

Создание микрогридов во всем мире становится все более эффективным и востребованным решением по энергоснабжению потребителей и все более весомой альтернативой традиционному подходу к развитию энергосистем, основанному на строительстве крупной централизованной генерации и электрических сетей. Строительство микрогридов предполагает размещение источников энергии и энергетической гибкости как можно ближе к конечному потребителю, а также использование ресурсов гибкости на стороне самих потребителей для достижения оптимального по стоимости, автономности, экологичности или другим целевым параметрам энергоснабжения.


Микрогрид (microgrid) — локальная энергосистема или система электроснабжения, представляющая собой технологический комплекс в составе объектов генерации (источников энергии), источников энергетической гибкости и потребителей электроэнергии, которые собраны под единым управлением в целях обеспечения как можно более эффективного и удобного для потребителя энергоснабжения. Микрогрид может быть как присоединен к сетям централизованной энергосистемы и дополнять электроснабжение, обеспечиваемое этими сетями, так и быть изолированной энергосистемой.


Под источниками энергетической гибкости в микрогридах понимаются любые электроустановки, способные осуществлять полезное и управляемое техническое воздействие на баланс мощности или баланс электрической энергии в энергосистеме. К таким источникам относятся маневренное генерирующее оборудование, системы накопления электроэнергии, управляемая нагрузка, электротехнические средства регулирования перетоков мощности. Понятие энергетической гибкости можно рассматривать как расширение понятий маневренности генерирующих объектов за счет расширения круга средств регулирования балансом мощности и электрической энергии.


Особенно привлекательным решением является создание микрогридов для энергоснабжения коммерческих и промышленных потребителей. Коммерческие и промышленные (индустриальные) микрогриды (C&I microgrid), дополняя электроснабжение из сети, позволяют обеспечить своим потребителям значимый для них эффект снижения расходов на электроэнергию и выполнить их требования к «безуглеродности» («net-zero») потребляемой энергии, к надежности электропитания и качеству электроэнергии, зачастую более жесткие, чем те, которым удовлетворяет централизованное энергоснабжение.


Для развития этой бизнес-практики в России создается регуляторная база работы микрогридов. Первым шагом стало появление концепции активных энергетических комплексов (АЭК), разработанной АО «НТЦ ЕЭС Управление энергоснабжением» при участии экспертов сообщества «Энерджинет». Она включает регуляторные и экономические условия реализации проектов некоторых видов коммерческих и промышленных микрогридов и привлекательности их создания, а также необходимые изменения нормативно-правовой базы, и направлена на обеспечение взаимовыгодной для потребителей и энергосистемы практики создания таких микрогридов.


Активный энергетический комплекс (АЭК) — один из видов микрогрида, используемый преимущественно группами промышленных предприятий и коммерческих потребителей, в котором объединены различные субъекты (производители и потребители электрической энергии и мощности), вступающие в экономические отношения по поводу производства и потребления электроэнергии и мощности, как внутри микрогрида, так и из внешней по отношению к АЭК сети.


В контексте регуляторного эксперимента, проводимого в 2020–2023 гг., активный энергетический комплекс (АЭК) определяется как микрогрид, связанный с ЕЭС, в состав которого входит не участвующая в оптовом рынке генерация общей мощностью до 25 МВт, потребителями в котором являются только промышленные предприятия, административно-деловые и торговые центры. Регулирование производства и потребления энергии в АЭК с учетом добровольно взятых обязательств по потребляемой мощности из сети (так называемой разрешенной мощности) обеспечивается за счет управляемого интеллектуального соединения (УИС) — программно-аппаратного комплекса, который поддерживает параметры перетока мощности от ЕЭС в сторону АЭК в пределах разрешенной мощности АЭК, а также балансирует производство и потребление энергии в АЭК и обеспечивает возможность ограничения режима потребления электроэнергии внутри АЭК.


До 2023 года создание АЭК будет осуществляться в режиме пилотного проекта (регуляторного эксперимента), целью которого является выстраивание необходимых нормативных условий для их создания в России и выработка целевой модели правовых и технологических механизмов регулирования их деятельности. АЭК, работа которых будет запущена в рамках пилотного проекта до 2023 года, продолжат функционировать в режиме пилотного проекта в течение 10 лет после начала работы.


Мировой рынок коммерческих и промышленных микрогридов


По состоянию на 2019 год аналитическая компания Guidehouse Insights (прежнее название — Navigant Research) оценивала годовой объем глобального рынка микрогридов в $8,1 млрд с объемом ввода новых мощностей на уровне 3,5 ГВт в год, и прогнозировала, что к 2028 этот рынок вырастет до $39,4 млрд в год с объемом ежегодного ввода новых мощностей на уровне 19,9 ГВт [1]. По оценке Guidehouse Insights, в настоящее время в мире реализуется или запланировано 6609 проектов микрогридов [2].


Мировой рынок микрогридов: левая ось — по макрорегионам в натуральном выражении (ГВт), правая ось — мир в целом в финансовом выражении ($млрд). Источник: Guidehouse Insights


Как видно из приведенного соотношения сегментов этого рынка по типам потребителей, доля микрогридов, подключенных к электрическим сетям и обслуживающих как коммерческих и промышленных потребителей, так и энергетические сообщества, военные объекты и университетские кампусы, совокупно составляет 55% [3].


Таким образом, рынок микрогридов для коммерческих и промышленных потребителей к 2028 году составит $6,3 млрд в год, или 3,2 ГВт, а общий объем рынка присоединенных к сети микрогридов, построенных в интересах юридических лиц, — $21,7 млрд в год, или 11 ГВт.


В региональном разрезе самыми крупными рынками будут Северная Америка (в основном, США) и Азиатско-Тихоокеанский регион [2], в который входят такие привлекательные для компаний Energynet страны, как Малайзия, Индонезия, Индия, Таиланд, Вьетнам, Сингапур, Филиппины. Это делает формирование российского рынка коммерческих и промышленных микрогридов важным с точки зрения поддержки российских технологических компаний и высокотехнологичного экспорта их решений.


Структура мирового рынка микрогридов по типам конечных потребителей. Источник: Guidehouse Insights


В России именно сектор коммерческих и промышленных потребителей может стать локомотивом рынка микрогридов, поскольку, с одной стороны, проблема роста расходов на электроснабжение наиболее остро стоит именно перед такими потребителями, и у них есть прямая заинтересованность в использовании возможностей распределенной генерации, а, с другой стороны, именно эти потребители способны сформировать платежеспособный спрос и инвестировать свои ресурсы в создание микрогридов и развитие необходимых технологий.


Основными драйверами роста этого сегмента рынка микрогридов в мире являются следующие факторы:

  • Стремление потребителей к декарбонизации и потреблению электроэнергии от точно известных и экологичных источников;

  • Рост стоимости электроэнергии и мощности в централизованных энергосистемах;

  • Рост разнообразия требований потребителей, приводящий к появлению запроса на как можно более кастомизированное электроснабжение, адресно отвечающее по своим техническим и экономическим параметрам требованиям конкретных потребителей. Например, рост требований потребителей к надежности и качеству электроснабжения, обусловленный увеличением ущерба, который наносят бизнесу, использующему цифровые технологии, перебои в электроснабжении и снижение качества электроэнергии.


Мировой опыт показывает, что микрогриды в определенных ситуациях могут обеспечить снижение расходов коммерческих и промышленных потребителей на электроснабжение в диапазоне от 5% до 25% и даже более по сравнению с потреблением энергии только из централизованной энергосистемы. Величина эффекта существенно зависит как от особенностей конкретных потребителей, так и от того, какие требования неэкономического характера — по надежности и экологичности — предъявляются этими потребителями. На это указывают как результаты численного моделирования работы микрогридов, так и анализ мировой практики их функционирования, несмотря на то что в мире еще не накоплен достаточный опыт в этой области. Эффект оказывается тем больше, чем более затратными являются мероприятия по реконструкции и строительству сетевой инфраструктуры, необходимые для ликвидации дефицита мощности в единой энергосистеме, который потребители испытывают или будут испытывать в ближайшем будущем.


Экономический эффект, который микрогриды приносят входящим в них потребителям, формируется следующими факторами:

  • снижение расходов на покупку электроэнергии и мощности на розничном рынке;

  • снижение расходов на оплату услуги электрических сетей по транспорту электроэнергии;

  • снижение расходов на оплату технологического присоединения или увеличения присоединенной мощности;

  • повышение надежности электроснабжения и снижение потерь от обесточивания;

  • повышение качества электроэнергии и снижение потерь от влияния просадок и скачков напряжения на чувствительное оборудование.


Технологическим залогом эффективности микрогридов выступают возможность комплексирования и оптимального сочетания различных источников энергии и гибкости, а также наличие единого контура управления, который позволяет как можно лучше использовать эти источники. В общем случае в состав микрогрида могут входить следующие типы электроустановок:

  • диспетчируемая маневренная генерация;

  • не диспетчируемая генерация на базе ВИЭ;

  • системы накопления электроэнергии (СНЭ);

  • управляемые нагрузки (энергопринимающие устройства) потребителей;

  • элементы зарядной инфраструктуры электрического транспорта;

  • элементы электрифицированных систем теплоснабжения, включая накопители тепловой энергии;

  • оборудование локальных электрических сетей микрогрида.


В росте экономической эффективности микрогридов ключевую роль сыграл технический прогресс в сфере малой генерации. Он привел к тому, что в последнее время стоимость электроэнергии, полученной за счет собственной генерации, оказывается во многих случаях ниже, чем цена электроэнергии, купленной на розничном рынке и полученной по электрическим сетям.


Стоимость капитального строительства микрогридов в целом, включающая стоимость как электроустановок, так и систем управления и всего инжиниринга, в настоящее время составляет $1000–3000 за кВт установленной мощности в зависимости от географии проекта, состава оборудования, необходимой степени «углеродной нейтральности», интегратора и набора вендоров [4, 5].


Структура мирового рынка микрогридов по бизнес-моделям. Источник: Guidehouse Insights


Привлекательность микрогридов для потребителей и инвесторов увеличивается также за счет реализации на этом рынке новых бизнес-моделей, позволяющих упростить взаимодействие поставщиков и потребителей решений для микрогридов, снизить инвестиционные риски и диверфицировать источники инвестиций и финансирования проектов.


Одной из наиболее многообещающих моделей является сервисно-ориентированная модель предоставления энергии как сервиса (energy-as-a-service — EaaS). Ее суть состоит в том, что инжиниринговая компания, осуществляющая интеграцию микрогрида на объекте потребителя электроэнергии, выступает не поставщиком решения, а оператором создаваемого микрогрида и поставщиком электроэнергии, которую он производит. При этом возможны самые разные варианты распределения прав собственности на объекты и оборудование в составе микрогрида, в том числе модель микрогрида как виртуальной электростанции, при которой часть объектов принадлежат самим потребителям, но находятся на агрегированном управлении у оператора микрогрида.


Российский рынок коммерческих и промышленных микрогридов


Основными драйверами спроса на рынке коммерческих и промышленных микрогридов, в частности, активных энергетических комплексов в России выступают экономические причины:

  • рост цены на электроэнергию для промышленных и коммерческих потребителей (в том числе во многом из-за практики перекрестного субсидирования);

  • рост стоимости технологического присоединения к сетям и сложность выполнения технических условий на такое присоединение для промышленных и коммерческих потребителей.


В условиях роста цен на электроэнергию из сети и сравнительно недорогих энергоресурсов, в первую очередь природного газа, потребители будут стремиться найти альтернативное решение, позволяющее обеспечить более дешевое электроснабжение и более простой, быстрый и дешевый доступ к необходимой мощности, чем присоединение к сетям. С другой стороны, часть потребителей уже сегодня испытывает дефицит присоединенной мощности или проблемы с надежностью электроснабжения в силу локальных ограничений сетевой инфраструктуры, а часть потребителей ищет возможность снизить расходы на электроснабжение, растущие в силу увеличения цены на мощность. Многие из этих потребителей сформируют спрос на рынке активных энергетических комплексов.


Кроме того, дополнительным драйвером спроса станет развитие секторов экономики с повышенной чувствительностью к качеству электроэнергии и надежности электроснабжения: дата-центров и центров обработки данных (ЦОД), цифровых производств, использующих технологии 3D-печати, производств композиционных материалов, биофармацевтических и других высокоточных предприятий.


Принципиальная схема гибридного микрогрида. Источник: Rolls-Royce


Потенциал российского рынка коммерческих и промышленных микрогридов в основном будет определяться перспективным спросом на мощность со стороны новых промышленных и коммерческих потребителей и соответствующим ростом электропотребления. Прирост электропотребления и спроса на мощность зависят от макроэкономических условий и общих темпов роста экономики, но новые проекты в сфере промышленного производства продолжат появляться при любых общих экономических условиях.


Вместе с тем, зачастую невозможно одновременно обеспечить надежное и сравнительно дешевое электроснабжение коммерческих и промышленных потребителей в рамках полностью изолированных микрогридов. Этот фактор делает востребованными микрогриды, присоединенные к электрическим сетям, а значит — делает чрезвычайно востребованными правовые и технические условия такого присоединения и взаимодействия между микрогридами и сетевым комплексом ЕЭС. С точки зрения субъектов, отвечающих за надежность функционирования ЕЭС — системного оператора и сетевых компаний, — такие условия не должны ухудшать условия функционирования других субъектов и ЕЭС в целом, в том числе негативно влиять на надежность и качество электроэнергии в ЕЭС.


Рынок коммерческих и промышленных микрогридов в России, можно сказать, находится пока что на предстартовых позициях: на нем реализуются индивидуальные проекты, зачастую использующие решения, далекие от оптимальных, ценообразование на этом рынке не отличается прозрачностью и зачастую оказывается ситуативным, как у потребителей, так и у поставщиков отсутствует референтный опыт.


Поскольку в США, ЕС и ряде стран Азии рынок коммерческих и промышленных микрогридов запустился и устойчиво развивается уже не первый год, технологические компании из этих стран, в том числе крупные транснациональные корпорации, имеют связанное с опытом конкурентное преимущество на российском рынке. И освоение нового рынка отечественными технологическими компаниями потребует наличия у них оригинальных и эффективных решений, как в части технологий, используемых в микрогридах, так и в части бизнес-моделей.


Активные энергетические комплексы и ЕЭС: возможность “win — win” стратегии


Особенности ценообразования на рынках электроэнергии, а также доступность надежных и не требующих частого обслуживания источников электроэнергии малой мощности формируют риск лавинообразного нарастания числа потребителей, предпочитающих собственную генерацию в микрогридах потреблению из сети. При этом платежи таких потребителей субъектам “большой энергетики” снижаются, в то время как затраты на обеспечение работы централизованной энергосистемы остаются прежними. Каждый потребитель, выбирающий собственную генерацию взамен покупки электроэнергии на рынке и потребления из сети, увеличивает платежную нагрузку на всех остальных потребителей, продолжающих потреблять энергию из сети. В определенный момент такое развитие событий приводит к росту тарифов и цен, что еще больше мотивирует потребителей к переходу на собственную генерацию. На рынке возникает система отношений между потребителями и энергосистемой с положительной обратной связью, опасная своей потенциальной неустойчивостью.


Проблема ухода потребителей в распределенную энергетику усугубляется в том случае, если обязательства энергосистемы и электрических сетей перед этими потребителями сохраняются, но их потребление из сети становится существенно более стохастическим и неравномерным. Это заставляет сохранять в централизованной энергосистеме генерирующие мощности и поддерживать возможность передачи через сети на случай покрытия пикового или неожиданно возникающего потребления со стороны микрогридов, присоединенных к сети.


Концепция активных энергетических комплексов предлагает справедливое решение указанной проблемы, поскольку позволяет гарантировано ограничить потребление мощности из внешней сети объёмами, определенными субъектами АЭК, что снижает потребность в поддержании соответствующих сетевых и генерирующих резервов в энергосистеме.


Если развитие распределенной энергетики идет по управляемому сценарию создания микрогридов типа АЭК, то оно может быть учтено при развитии сетей, рынка мощности и при долгосрочном планировании. Эффект снижения потребности в инвестициях возникает на стороне сетевых организаций, поскольку появление АЭК снижает запрос на технологическое присоединение.


Таким образом, развитие рынка коммерческих и промышленных микрогридов в России в рамках концепции АЭК может обеспечить дополнительный экономический эффект, включающий не только экономию на стороне потребителей в самих АЭК, но и общесистемные эффекты на стороне ЕЭС в целом. Эти эффекты во многом обусловлены тем, что появление АЭК создает конкуренцию решениям централизованной энергосистемы, таким как строительство сетевой инфраструктуры, и за счет этой конкуренции позволяет обеспечить более эффективное и сбалансированное развитие энергосистемы.



Помимо перечисленных экономических эффектов от внедрения АЭК микрогриды с более широким функционалом могут также выступать источниками энергетической гибкости для энергосистемы и оказывать различным субъектам электроэнергетики сервисы гибкости. К таким сервисам относится оказание следующих услуг:

  • Управление спросом на электроэнергию;

  • Регулирование частоты в энергосистеме;

  • Обеспечение третичных резервов мощности;

  • Регулирование уровня напряжения и компенсация реактивной мощности;

  • Регулирование нагрузки на оборудование центров питания;

  • Обеспечение аварийного резерва для потребителей, не входящих в АЭК.


Очень важно, чтобы указанные услуги предлагались на соответствующих рынках на конкурентных основаниях.



Подготовлено IC ENERGYNET / Авторы: Дмитрий Холкин, Игорь Чаусов, Борис Бокарев, Владимир Сидорович


Источники:

1. Peter Asmus. Microgrids Ramp Up in Latin America but Asia Pacific Remains the Global Leader. — Microgrid Knowledge, 2019

2. Microgrid Deployment Tracker Identifies 2,179 New Projects. — Guidehouse Insights, 2020

3. Microgrid: a Global View. International Symposium on Microgrids. — Navigant Research, 2017

4. Microgrid Analysis and Case Studies Report. — California Energy Commission, 2018

5. Phase I Microgrid Cost Study: Data Collection and Analysis of Microgrid Costs in the United States. — National Renewable Energy Laboratory, 2018

6. Renewables Mini-grids Innovation Landscape Brief. — IRENA, 2019

7. The Global Market for Modular Microgrids Is Expected to Experience 28% Compound Annual Growth Rate from 2020–2029. — Guidehouse Insights, 2020

8. Peter Asmus. Plug-and-Play Modular Microgrids Gain Market Momentum. — Microgrid Knowledge, 2019

9. Архитектура Интернета энергии. Internet of Distributed Energy Architecture. — Инфраструктурный центр Энерджинет, 2018


© 2019 Teplovichok Today. Сайт создан на Wix.com

  • White Facebook Icon
  • White Twitter Icon
  • Google+ Иконка Белый