Недоліки й переваги децентралізації енергопостачання

1.1.1 Недоліки й переваги децентралізації енергопостачання

Аварії енергосистем 1999 року й в 2003 році виявили, що енергопостачальні компанії на протязі десятиліть недостатньо інвестували в підвищення надійності місцевих еклектичних мереж.

Недостатня пропускна здатність місцевих систем електропередачі викликає потребу більших витрат на модернізацію ліній передач й трансформаторів і вказує на потенційну цінність малих, розосереджених генераторів. Роблячи деяку кількість енергії в межах місцевої мережі, малі генератори можуть зменшити навантаження на устаткування систем електропередачі. А в центрі міста, де лінії передач підземні й де їхня заміна вимагає проведення реконструкції вулиць, витрати на встановлення додаткових малих генераторів часто становлять лише малу частину витрат від необхідної для реконструкції системи електропостачання.

Саме тоді, коли старіння устаткування й перевантаження лінії електропередач викликають сумнів у здатності діючих централізованих енергосистем упоратися зі зростаючим попитом на електрику й витримати більш тверді погодні умови, урахувати зростаючу залежність від автоматизації й комп'ютеризованих процесів, підвищується зацікавленість у високоякісному, безперебійному енергопостачанні. І тоді, коли сучасні інформаційні системи висувають додаткові вимоги до якості електроенергії, нові комунікаційні технології прискорюють рух до більш надійної децентралізованої системи.

У багатьох регіонах світу найбільшу загрозу надійності системи забезпечення електроенергією становлять перебої в місцевих системах електропостачання, викликані ушкодженням ліній електропередач через погодні умови або їхнім перевантаженням через надлишкове споживання. Аварії в системах електропостачання викликають до 95% перебоїв подачі енергії в США. Тоді як жара або холод може спричинити перевантаження системи електропередач через підвищений попит на енергію для забезпечення систем кондиціонування або пристроїв для підігріву повітря, деякі стихійні лиха (повені, бурі з градом, урагани) можуть перервати поставку енергії на більші райони, зруйнувавши лінії електропередач. Відповідно до доповіді Енергетичної ради США витрати на передачу й розподіл електроенергії з 1994 року перевищили витрати на її виробництво (від $800 млн. до $2,5 млрд. із цих засобів могли б бути з вигодою спрямовані на малі генератори й підвищення енергоефективності).

Бізнес, що постраждав від стихійних лих, звичайно лише тоді згадує про електропостачання як про найважливішу, життєво необхідну послугу. Перебої в поставці електроенергії можуть досягати так 40% застрахованих збитків, що підтверджується страховими відшкодуваннями після стихійних лих. Коли майже 3 млн. людей залишилися без енергії під час бурі з градом в 1988 році в Новій Англії, Нью-Йорку й Квебеку, то ті, хто мав вітрові електростанції, не залишалися й працювали, а постачальники електроенергії витратили 25 днів, щоб відновити поставку.

Зростаюча роль комп'ютерів і Інтернету в економіці й зростання комп'ютеризованого виробництва зробили споживачів більш чутливими до навіть миттєвих коливань напруги або перебоям. У минулому такі дрібні аварії не мали великого значення, викликаючи лише пригасання світла або зменшення швидкості електричних двигунів, але без якоїсь істотної шкоди. Зростаюча залежність від комп'ютерів означає підвищені вимоги до стабільності напруги: комп'ютерні мережі не витримують перебоїв більше однієї восьмитисячної частки секунди тривалість, яку постачальники енергії навіть не вважають аварією. У США бізнес щорічно губить біля $ 26 млрд. від комп'ютерних аварій.

Якщо комп'ютер у центрі фінансової системи вимкнеться хоч на мить, дані можуть бути загубленими, а операції на мільйони доларів, включаючи банківські трансакції, використання кредитних карток і касових автоматів, будуть перервані. В 1997 році національний банк у місті Омаха підрахував, що година перерви в роботі коштує йому $6 млн. і відреагував на аварію своєї комп'ютерної системи, що наступила після "миготіння" електрики, придбанням чотирьох водневих паливних елементів (комірок), підтриманих двигунами внутрішнього згоряння з маховиками. Паливні комірки (ПК) забезпечують більшу частину енергії для банківського центра даних, і комп'ютерні системи можуть відключитися від електромережі при найменшій ознаці нестабільності. Електропостачання на паливних елементах має додаткову перевагу зменшує викиди вуглекислого газу на 45%, інших забруднювачів повітря на 95%.

Крім того, супермаркети, ресторани, страхові компанії, лікарні й поштові відділення всі починають звертатися до малої енергетики, щоб запобігти збитковим перебоям. Найбільша у світі система енергопостачання на базі ПК буде забезпечувати дублювання електро- й теплопостачання для поштової служби США в Анкориджі (Аляска). Медичний факультет Гарвардського університету використовує водневі паливні комірки для забезпечення електроенергією своїх навчальних та лабораторних приміщень. Високотехнологічні виробництва фармацевтичні, хімічні, біотехнологічні й напівпровідників, які усе більше застосовують комп'ютеризовані виробничі процеси, це ті галузі, де паливні комірки будуть застосовуватися найближчим часом. Заводи, які роблять комп'ютерні чипи, можуть використати ПК як надійне джерело енергії й гарячої дистильованої води побічного продукту ПК.

Інша важлива перевага малої енергетики вона значно менше впливає на навколишнє середовище. Хоча за останні 15 років багато електростанцій обладнано дорогими пристроями очищення викидів, вони усе ще викидають велику кількість забруднювачів. У США електростанції відповідальні за викиди 28% окислів азоту, 67% двоокису сірки, 36% двоокису вуглецю, 33% ртуті в країні щорічно. В усьому світі виробництво електричної енергії є найбільшим джерелом викидів двоокису вуглецю (понад третину його загальної кількості).

Комбінація високої ефективності розподіленої генерації й використання більш чистих видів палива дозволяє набагато зменшити навантаження на навколишнє середовище, що створюють централізовані енергетичні системи.

Дослідження інституту Рокі Маунтин (США) показали, що розміщення малих генераторів ближче до споживачів, а також відповідність їхніх потужностей потребам споживачів, має значні переваги над гігантськими електростанціями, значно підвищує цінність цих генераторів для енергосистеми в цілому. Різниця в експлуатаційних витратах досить більша для того, щоб сонячні батареї, навіть при теперішніх цінах, стали рентабельними для багатьох застосувань. Це дослідження визначило ряд переваг, якими мала (розосереджена) енергетика забезпечує додаткові економічні й екологічні вигоди (табл. 1.2) [6].

Протягом десятиліть енергопостачальні компанії наполягали на тому, що надійність електромережі залежить від централізованого керування системою. Вони не могли дозволити споживачам брати участь у керуванні тисячами розподілених в енергосистемі генераторів, оскільки вони були переконані, що це дорога до хаосу. Однак усе більше аналітиків тепер завіряють у протилежному: більш децентралізоване, розосереджене керування може виявитися набагато гнучкіше, ніж централізована ієрархічна система керування. Така розосереджена система може поводитися подібно гнучким біологічним системам як екосистема або людське тіло, які децентралізують керування й розподіляють його між багатьма зворотними зв'язками, а не покладають на централізовану ієрархію. Як мозок не повинен стежити за кожним процесом в організмі, щоб система функціонувала, так і енергетичні мережі не мають потреби в центральному пункті, через який проходить вся інформація.

Таблиця 1.2 - Сім схованих переваг малої енергетики (за даними на 2000 рік)

Досягнення в енергетичній електроніці, інформаційних технологіях і пристроях, що акумулюють, спрощують приєднання малопотужних систем до електромережі (або дозволяють їм залишатися поза мережею), одночасно поліпшуючи здатність мережі пристосовуватися до пікових навантажень і коливань потужності. Наслідком може бути "багатобічна мережа", абсолютно відмінна від традиційної "вулиці з однобічним рухом", між центральною електростанцією й кінцевими споживачами. Подібно Інтернету, така енергетична система була б "під керуванням" тисяч або навіть мільйонів індивідуальних споживачів, які дотримуються загального набору технічних правил і вимог.

Новітня енергетична електроніка, включно з мініатюрними чипами (інтегральними схемами), проводами, датчиками, створює нові способи приєднання, інвертування й регулювання потоків енергії. Наприклад, мікропроцесорні пристрої можуть накопичувати дані про потреби в електриці автоматизованих виробничих процесів. Удосконалення в устаткуванні для інвертування й наступного поліпшення струму дозволяють перетворювати постійний струм у змінний (і навпаки) з незначними втратами, синхронізувати малі генератори з електромережею й ізолювати їх від неї, якщо в мережі відбувається збій, зберігаючи надійність локальної енергосистеми й дозволяючи працівникам енергопостачальної компанії безпечно відремонтувати лінію передачі й трансформатори.

В решті решт, у довгостроковій перспективі сполучення комунікаційних і енергетичних технологій можуть привести до "розумної розосередженої автоматизованої електромережі", що буде дозволяти всім частинам електричної системи реагувати на потреби системи в цілому від центральних станцій і малих генераторів до трансформаторів, лініям передачі й навіть окремим електроспоживачам. Керована комп'ютерами система може миттєво реагувати на будь-які проблеми й максимізувати свою загальну ефективність. Наприклад, власник холодильника із відповідним комунікаційним і керуючим устаткуванням для деякого зменшення своєї плати може дозволити енергопостачальнику виключати електродвигун холодильника на короткий момент, коли росте навантаження на всю енергосистему. Це заощаджує гроші споживача й підвищує надійність системи. Також сигнал з комп'ютера енергопостачальника до паливного елемента споживача міг би запускати його в дію для поставки електроенергії в сусідні місця, за що хазяїн ПК одержував би оплату через відповідну знижку у своєму рахунку за електроенергію. Такі програми одержали назву "Керування електричним навантаженням", і в останні роки розглядаються в рамках програм "Інтегрованого ресурсного планування".

Серед пристроїв, створених для енергозбереження, є маховики, акумулятори й суперконденсатори. Особливо, перспективним варіантом, є вироблення водню за допомогою сонячних батарей на дахах, коли світить сонце, з наступним його використанням у паливних елементах для виробництва електрики, коли є в ньому потреба. Так само як двигун внутрішнього згорання збільшив попит на бензин, появу автомобільних ПК прискорює створення мережі для збереження й транспортування водню.

Разом зі зростаючою вимогою до надійності ці інновації в електромережах стимулюють перехід енергетики до більш розосереджених систем відповідно ходу історії. Протягом XX століття яскравим аналогом електроенергетичної системи була радянська система ієрархічного централізованого планування. З початку XXI століття електропостачання рухається до моделі Інтернету: децентралізованої, неієрархічної, орієнтованої на ринок.

Більшість сучасних енергетичних ринків усе ще продовжує використовувати ознаки державної монополії, покладаючись на те, що централізація енергетики необхідна для надійного електропостачання споживачів. Дотепер залишається безліч норм та правил, які підтримують велику енергетику із центральними електростанціями. Як сказав Уолт Петерсон з Королівського інституту міжнародних справ, "занадто часто децентралізовані по своїй суті технології виявляються в ролі команди, що грає на "чужому полі" на домашньому полі централізованої системи й по її правилах".

Для повної реалізації потенціалу малої енергетики, необхідно реформувати регулятивну систему електроенергетики, усунувши перешкоди ринковим відносинам, які в цей час обмежують її впровадження (табл. 1.3).

Таблиця 1.3 - Вісім перешкод малої енергетики (за даними на 2000 рік)

Першим кроком тих, хто визначає політику в цій галузі, повинне бути забезпечення того, що мала енергетика, одержуючи плату за ціною, що відображає повну вартість електроенергії. Дослідження Європейської комісії в 1998 році встановило, що повна вартість розосередженої "сонячної електрики" в Італії становить трохи більше, ніж 10 центів за , з них половина є вартістю генерації, а друга половина надбавка, що відображає додаткову надійність та підтримку централізованої системи електропостачання, що є унікальною властивістю для малопотужних локально розосереджених генераторів (можливе їхнє використання в підвищенні безперебійності в системах електропостачання загального призначення).

Данія, Німеччина, Іспанія та інші країни вже ввели закони про "приєднання", які вимагають від постачальників енергії купувати електроенергію, вироблену з відновлюваних джерел, по 7...10 центів за 1 . Ці закони привели до створення понад 5000 Мвт потужності вітроенергетики із середини 1990-х років. Так само Японія й 29 американських штатів мають закони про "вимір чистого балансу" для сонячної енергії, які дозволяють власникам сонячних енергосистем продавати свої надлишки електроенергії в мережі за роздрібними цінами. Ці закони були прийняті швидше за все з екологічних міркувань, ніж для виявлення певних переваг децентралізованої енергетики. Однак вони ясно показують потенційну дієвість простих, добре продуманих законів, які надають розосередженим виробникам електроенергії доступ до мережі по стабільно справедливій ціні на їхній товар.

На конкурентних енергетичних ринках необхідна обов'язкова оцінка вартості передачі електроенергії до споживача для всіх можливих варіантів щодо нового виробництва енергії. Відповідно до цього дослідження така стратегія разом з використанням менш забруднюючих технологій і кращою ефективністю поставки й попиту могла б задовольнити зростаючі потреби в електроенергії, одночасно зменшуючи місцеве забруднення повітря й знижуючи викиди окислів вуглецю на 42% у порівнянні з тенденціями в рамках звичайних підходів.

Необхідна інша реформа, спрямована на стандартизацію вимог до приєднання агрегатів малої енергетики до електромереж загального призначення. У багатьох випадках постачальники електроенергії висувають ряд складних і непотрібних вимог, які додають, як правило, ще тисячі доларів до вартості малої системи, що коштує лише $3.000...10.000. Ці вимоги виходять від застарілих технічних стандартів і зрозумілого бажання енергокомпаній не допустити втрати споживачів централізованої енергетики. Багато країн успішно переборюють ці перешкоди. В Україні також розпочата ця робота. Так, у середині 2004 року прийнятий закон про когенерацію, що спрямований на розв’язання цієї проблеми, зокрема, щоб не допустити нечесного блокування розвитку малої енергетики централізованими постачальниками й не відлякувати власників когенераційних установок непотрібними й безглуздими юридичними документами.

Необхідно переглянути правила, які перешкоджають доступу малої енергетики до мереж загального призначення. Інші перешкоди для малої енергетики виходять з правил, які регулюють розміщення енергоустановок, видачу дозволів на їхню роботу й викиди з них, розроблених ще перед виходом малої енергетики на ринок. Мала енергетика не врахована в більшість спеціальних нормативів (будівельних, електротехнічних, з питань безпеки). Користуючись цим, місцеві чиновники, які стежать за дотриманням правив і встановлюють тарифи, не виявляють знать в цих технологіях.

Монопольним енергопостачальникам необхідні певні стимули, щоб вони заохочували малу енергетику. Сучасні правила оплати послуг постачальників базуються на розмірі їхніх капіталовкладень в устаткування або на обсязі поставляємої ними електроенергії, створюючи фінансову зацікавленість постачальників у блокуванні автономної генерації.

У багатьох державах регулятивні органи створили нормативні правила, які засновані на показниках діяльності всієї енергосистеми, усувають стримуючі фактори й надають місцевим постачальникам стимули для здійснення розосередженої генерації.

Зусилля по перебудові енергетичного законодавства в цілому стримуються нинішніми офіційними монополістами енергопостачання, які прагнуть захистити свої минулі інвестиції в більш централізовані електростанції. Прогрес у реформуванні законодавства, щоб дати дорогу новому класу малих виробників електроенергії, які ще ледь помітні на сучасному ринку, як і слід було сподіватися, є досить повільним. Однак оскільки число компаній, що вкладають капітал у цю техніку, росте й поповнюється більшими фірмами й мільйонами споживачів, що бажають мати свої власні енергогенеруючі системи, зміни відбудуться.