Дипломная работа: Проектування малої гідростанції на Печенізькому водосховищі

Установки потужністю менше 30 Мвт не підпадають під дію відповідних документів у питаннях регулювання енергосистем загального призначення й деяких державних законів з виробництва теплової й електричної енергії, режимів роботи й потужності устаткування.

У практиці більшості країн світу прийнято використати наступне визначення: "Мала установка для виробництва енергії" це установка, що використовує біомасу, вторинні або відновлювані ресурси, включаючи вітер, сонячні й водні ресурси, для виробництва електроенергії із установленою потужністю не більше 80 Мвт.

В останні роки джерела малої енергетики відносять до розподіленої генерації. Системи енергопостачання споживачів, засновані на використанні розподіленої генерації (джерел малої енергетики), називають децентралізованими системами.

1.1 Актуальність розвитку розподіленої генерації

У зв'язку з різким ростом попиту на електричну енергію у світі наприкінці минулого сторіччя й коливанням цін на первинну енергію енергетичний бізнес був перетворений у величезну "природну монополію".

На жаль, все це не могло надати негативного, часто необоротного впливу на екологію як окремих регіонів, так і світу в цілому. Так, у багатьох країнах світу (у більшості розвинених країн) в 1970-х роках здійснювалося постійне нарощування потужностей електростанцій, що виявилося не ефективним, оскільки екологічні застереження, енергетична криза й багатомільярдні витрати на грандіозні проекти атомної енергетики змусили багатьох сумніватися в раціональності парадигми централізованої електроенергетики. Будівництво великих ядерних і теплових станцій ставало все більш дорогим. Ситуація почала змінюватися починаючи з 1980-х років. У цей же час розвиток нових технологій в енергетичному секторі дозволив істотно знизити вартість невеликих (від 10 кВт до 30 Мвт) установок, що генерують, зокрема газових турбін комбінованого циклу, на ринку з'явилися малі газові турбіни, запущені в масове виробництво. Тому середня потужність нових електростанцій зменшилася з 600Мвт у середині 1980-х до 100 Мвт в 1992 році й 21 Мвт в 1998 році.

У світі помітно почалися зміни на користь впровадження малої енергетики (розподіленої генерації), темпи росту якої (тільки за рахунок поновлюваних джерел енергії) уже в 2000 році були вражаючими (табл. 1.1).

Таблиця 1.1 – Темпи росту джерел енергії

Вид або джерело енергії	Темпи росту (19902000р.), в %
Енергія вітру	25
Сонячні елементи	20
Геотермальна енергія	4
Гідроенергія	2
Природний газ	2
Нафта	1
Ядерна енергія	0,8
Вугілля	-1

Останні дані дозволяють стверджувати, що зменшення одиничної потужності генеруючих установок тільки почалося. Останні 5 років засвідчили появу нового покоління "портативного" енергогенеруючого устаткування незмірно меншого розміру, ніж великі генератори, які зараз становлять основу централізованої енергетики. Відображаючи досягнення в галузях металургії, синтетичних матеріалів, електроніки й інших, ці пристрої об'єднали великий спектр технологій від удосконалених двигунів внутрішнього згорання до генераторів, які базуються на електрохімічних і фотоелектричних процесах. Хоча джерела малої енергетики поки ще іноді більш дорогі в порівнянні із традиційними генераторами, але ціни на них стали постійно знижуватися з наступним удосконаленням технологій і зниженням питомих витрат при масовому виробництві.

На перших в новому столітті Олімпійських іграх у Сіднеї (Австралія) у вересні 2000 року одним з місць, що було в центрі уваги, стало олімпійське селище, на дахах будинків якого встановлені сонячні батареї для виробництва необхідної електроенергії. Коли ігри завершилися, селище стало "сонячним передмістям" на 1500 жителів, що, по підрахунках його творців, дозволило уникнути вуглецевого забруднення в 7000 тонн викидів щорічно. Це могло відбутися, якби еквівалентну кількість електроенергії одержали при спалюванні вугілля на електростанціях, які виробляють більшу кількість електроенергії в Сіднеї. Подібно олімпійському гаслу "швидше, вище, сильніше", гаслом енергосистеми олімпійського селища могло б бути "дешевше, чистіше, надійніше". Ці нові мініатюрні домашнього розміру генератори є втіленням вражаючої відмови генерації електроенергії, що очолювала енергетику протягом усього першого сторіччя її існування й досягла вершини у вугільних і атомних чудовиськах, які зараз забезпечують основну масу енергії в усьому світі й коштують багато мільярдів доларів. Сучасне сполучення технічних, політичних і екологічних зусиль вдихнуло нове життя в стару ідею децентралізованої малої енергетики.

У спеціальному випуску журналу "Bisiness Week" у серпні 1999 року під заголовком "21 ідея для 21 століття" локальні "персональні" електростанції були першими в списку. Дійсно, енергетика починає нове сторіччя в період бурхливих змін, не бачених із часу її початку 100 років тому.

Як ми вже відзначали раніше, малі електрогенератори є екологічно більше чистими, енергоефективними й у більшості випадків економічно більш привабливими.

Поява малої електроенергетики може мати найважливіші наслідки в "третьому світі", де централізовані енергетичні мережі відомі своєю незахищеністю від частих вимикань, де будівництво електростанцій і електромереж обтяжує уряд багатомільярдними боргами й де 1,6 млрд. людей і дотепер взагалі не мають електрики. Ця енергетика може істотно зменшити витрати на забезпечення основних послуг швидко зростаючому числу міських споживачів. А в сільській місцевості нова техніка може уможливити розвиток автономних сільських електричних систем і позбавить від потреби підключення до централізованих електричних мереж.

Незабаром лібералізація, реструктуризація й реформи електроенергетики, які відбуваються в багатьох країнах, визначать темп змін у централізованій і децентралізованій енергетиці. Нові правила гри визначать, наскільки енергоринки будуть відкритими для нових малих конкурентів. Усе ще діючі в цей час енергетичні монополії, інтереси яких вкоренилися в існуючу економічну й правову систему, будуть продовжувати опір змінам, але, як і у випадку перебудови телекомунікацій, їхній опір згодом, майже напевно, ослабшає.

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)

Перевага	Опис
Модульність (блочність)	Потужність малої енергосистеми можна регулювати.
Короткий пусковий період	Малі станції можна проектувати й будувати швидше, зменшуючи ризики й період будівництва.
Розмаїтість палив, менший вплив коливання цін	Більш різноманітний склад зменшує залежність від коливання цін на викопне паливо.
Надійність і гнучкість	Менш імовірні одночасні аварії численних малих станцій, більш короткі простої, легко ремонтувати.
Запобігання спорудження станцій і ліній передач	Менша потреба будівництва нових центральних електростанцій, менші втрати.
Місцеве й комунальне керування	Забезпечує вибір варіантів і керування на місці, використання місцевих палив.
Запобігання викидів і шкідливих наслідків для навколишнього середовища	Мала енергетика виділяє меншу кількість твердих часток, окислів сірки й азоту, двоокису вуглецю, має менший сукупний вплив на навколишнє середовище, зокрема на землю і якість води.

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.