Электростанция с отслеживанием нагрузки , которая считается производящей электроэнергию средней ценности или средней цены, представляет собой электростанцию , которая регулирует свою выходную мощность по мере того, как спрос на электроэнергию колеблется в течение дня. [1] Электростанции с отслеживанием нагрузки обычно находятся между базовыми и пиковыми электростанциями по эффективности, скорости запуска и остановки, стоимости строительства, стоимости электроэнергии и коэффициенту мощности .
Электростанции с базовой нагрузкой – это управляемые электростанции, которые имеют тенденцию работать с максимальной мощностью. [ нужна цитация ] Обычно они отключают или уменьшают мощность только для выполнения технического обслуживания или ремонта или из-за ограничений в сети. [2] Электростанции, работающие в основном таким образом, включают угольные , мазутные , атомные , геотермальные , русловые гидроэлектростанции , биомассовые и газовые электростанции с комбинированным циклом . [ нужна цитата ]
Пиковые электростанции работают только в периоды пиковой нагрузки. В странах с широко распространенным кондиционированием воздуха пик спроса приходится примерно на середину дня, поэтому типичная пиковая электростанция может запуститься за пару часов до этого момента и отключиться через пару часов после него. [ нужна цитата ] Однако продолжительность работы пиковых растений варьируется от значительной части дня бодрствования до всего лишь пары десятков часов в год. К пиковым электростанциям относятся гидроэлектростанции и газотурбинные электростанции. Многие газотурбинные электростанции могут работать на природном газе, мазуте и/или дизельном топливе , что обеспечивает большую гибкость в выборе режима работы. иногда держится под рукой на случай прекращения подачи газа. [ нужна цитата ] Другие газовые турбины могут сжигать только одно топливо.
Напротив, электростанции с отслеживанием нагрузки обычно работают в течение дня и ранним вечером и работают непосредственно в ответ на изменение спроса на электроэнергию. Они либо отключают, либо значительно сокращают выработку ночью и ранним утром, когда спрос на электроэнергию самый низкий. Точное время работы зависит от множества факторов. Одним из наиболее важных факторов для конкретного завода является то, насколько эффективно он может преобразовывать топливо в электричество. В первую очередь вводятся в эксплуатацию наиболее эффективные электростанции, эксплуатация которых почти всегда наименее затратна в расчете на произведенный киловатт-час . По мере роста спроса в эксплуатацию вводятся следующие по эффективности заводы и так далее. Состояние электрической сети в этом регионе, особенно ее генерирующая мощность при базовой нагрузке, а также изменение спроса также очень важны. Дополнительным фактором операционной изменчивости является то, что спрос меняется не только днем и ночью. Также существуют значительные различия во времени года и днях недели. В регионе с большими колебаниями спроса потребуются электростанции с большой нагрузкой или пиковой мощностью, поскольку электростанции с базовой нагрузкой могут покрывать только мощность, равную той, которая необходима в периоды самого низкого спроса.
Электростанциями с отслеживанием нагрузки могут быть гидроэлектростанции, дизельные и газомоторные электростанции, газотурбинные электростанции с комбинированным циклом и паротурбинные электростанции, работающие на природном газе или мазуте , хотя установки на мазуте составляют очень небольшую часть. энергетического баланса. Относительно эффективная модель газовой турбины, работающей на природном газе, также может стать достойной установкой слежения за нагрузкой.
Газотурбинные электростанции являются наиболее гибкими с точки зрения регулирования уровня мощности, но также являются одними из самых дорогих в эксплуатации. Поэтому они обычно используются в качестве «пиковых» установок в периоды максимальной потребности в мощности или на электростанциях комбинированного цикла или когенерации , где отработанное тепло турбин можно экономично использовать для выработки дополнительной мощности и тепловой энергии для технологического процесса или отопления помещений.
Дизельные и газовые электростанции могут использоваться как для базовой нагрузки, так и для производства резервной электроэнергии благодаря их высокой общей гибкости. Такие электростанции могут быть запущены быстро для удовлетворения потребностей сети. Эти двигатели могут эффективно работать на самых разных видах топлива, что повышает их гибкость.
Некоторые приложения: производство электроэнергии при базовой нагрузке, ветродизельное топливо, отслеживание нагрузки, когенерация и тригенерация.
Гидроэлектростанции могут работать в режиме базовой нагрузки, слежения за нагрузкой или пиковой нагрузки. Они имеют возможность запускаться в течение нескольких минут, а в некоторых случаях и секунд. Работа станции во многом зависит от ее водоснабжения, поскольку многим станциям не хватает воды для непрерывной работы на полную мощность. [ нужна цитата ]
Там, где существуют плотины гидроэлектростанций или связанные с ними водохранилища, их часто можно резервировать, резервируя гидрозабор на период пиковой нагрузки. Это создает экологический и механический стресс, поэтому сегодня практикуется меньше, чем раньше. Озера и искусственные водохранилища, используемые для гидроэнергетики, бывают всех размеров, в них содержится достаточно воды для однодневного запаса (дневной пик) или годового запаса (с учетом сезонных пиковых отклонений). Станция, водохранилище которой вмещает меньше годового стока реки, может менять стиль своей работы в зависимости от сезона года. Например, электростанция может работать в режиме пиковой нагрузки в засушливый сезон, в режиме базовой нагрузки в сезон дождей и в режиме отслеживания нагрузки между сезонами. Установка с большим резервуаром может работать независимо от влажных и засушливых сезонов, например, работать на максимальной мощности в пиковые сезоны отопления или охлаждения. [ нужна цитата ]
Когда выработка электроэнергии, питающей сеть, и потребление или нагрузка в электрической сети находятся в балансе, частота переменного тока находится на нормальном уровне (50 или 60 Гц). Гидроэлектростанции можно использовать для получения дополнительного дохода в электрической сети с нестабильной частотой сети. Когда частота сети выше нормальной (например, частота сети в Индии превышает номинальные 50 Гц на протяжении большей части месяца/дня [3] ), дополнительная доступная мощность может потребляться путем добавления дополнительной нагрузки (например, сельскохозяйственных водяных насосов) к сеть, и это новое потребление энергии доступно по номинальной цене или бесплатно. Однако не может быть гарантии продолжения поставок по этой цене, когда частота сети упадет ниже нормальной, что потребует более высокой цены. [ нужна ссылка ] [ нужны разъяснения ]
Чтобы остановить падение частоты ниже нормальной, имеющиеся гидроэлектростанции работают в режиме холостого хода/номинальной нагрузки, а нагрузка автоматически увеличивается или уменьшается строго в соответствии с частотой сети (т. е. гидроагрегаты будут работать в режиме холостого хода, когда частота выше 50 Гц и генерировать мощность до полной нагрузки, если частота сети ниже 50 Гц). Таким образом, коммунальное предприятие может получать из сети в два или более раз больше энергии, загружая гидроагрегаты менее 50% продолжительности, а эффективное использование доступной воды увеличивается более чем в два раза по сравнению с обычным режимом пиковой нагрузки. [4] [ нужны разъяснения ]
Пример ежедневной пиковой нагрузки (для энергетического управления Бонневиля ) с большой гидроэлектростанцией, тепловой генерацией с базовой нагрузкой и прерывистой ветровой энергией. Гидросистема отслеживает нагрузку и управляет ее пиками, с некоторой реакцией на тепловую нагрузку базовой нагрузки. Обратите внимание, что общая выработка всегда превышает общую нагрузку BPA, поскольку большую часть времени BPA является чистым экспортером энергии. Нагрузка BPA не включает запланированную энергию для других балансирующих зон. [6]
Крупногабаритные угольные теплоэлектростанции также могут использоваться в качестве электростанций с последующей/переменной нагрузкой в различной степени, при этом электростанции, работающие на каменном угле , обычно значительно более гибкие, чем электростанции, работающие на буром угле. Некоторые из особенностей угольных электростанций, оптимизированных для следующих нагрузок, включают:
Исторически атомные электростанции строились как станции с базовой нагрузкой, без возможности отслеживания нагрузки, чтобы сохранить простоту конструкции. Их запуск или остановка занимали много часов, поскольку они были рассчитаны на работу на максимальной мощности, а нагрев парогенераторов до нужной температуры требовал времени. [2] Антиядерные активисты и Федеральное министерство окружающей среды Германии также изображали производство атомной энергии негибким, в то время как другие утверждали, что «станции могут засорить энергосистему». [7]
Современные атомные электростанции с легководными реакторами рассчитаны на маневренность в диапазоне 30–100% с наклоном 5%/мин, до 140 МВт/мин. [7] Атомные электростанции во Франции и Германии работают в режиме отслеживания нагрузки и поэтому участвуют в первичном и вторичном регулировании частоты. Некоторые агрегаты следуют программе переменной нагрузки с одним или двумя большими изменениями мощности в день. Некоторые конструкции допускают быстрое изменение уровня мощности вокруг номинальной мощности, что можно использовать для регулирования частоты. [8] Более эффективное решение — поддерживать полную мощность первичного контура и использовать избыточную мощность для когенерации. [9]
Хотя большинство атомных электростанций, находившихся в эксплуатации в начале 2000-х годов, уже были спроектированы с возможностью сильного отслеживания нагрузки, они, возможно, не использовались как таковые по чисто экономическим причинам: производство атомной энергии почти полностью состоит из постоянных и невозвратных затрат, что приводит к снижению выходной мощности. не приводит к значительному снижению затрат на производство электроэнергии, поэтому большую часть времени более эффективно использовать их на полной мощности. [10] [11] В странах, где базовая нагрузка была преимущественно ядерной (например, во Франции), режим отслеживания нагрузки стал экономичным из-за колебаний общего спроса на электроэнергию в течение дня.
Реакторы с кипящей водой (BWR) могут изменять скорость потока рециркуляционной воды, чтобы быстро снизить уровень мощности до 60% от номинальной мощности (до 10% в минуту), что делает их полезными для отслеживания нагрузки в ночное время. Они также могут использовать манипуляции со стержнями управления для достижения более глубокого снижения мощности. Некоторые конструкции BWR не имеют рециркуляционных насосов, и эти конструкции должны полагаться исключительно на манипуляции со стержнем управления для отслеживания нагрузки, что, возможно, менее идеально. [12] На таких рынках, как Чикаго, штат Иллинойс , где половина парка местных коммунальных предприятий состоит из BWR, отслеживание нагрузки является обычным явлением (хотя это потенциально менее экономично).
В реакторах с водой под давлением (PWR) используется комбинация химической прокладки (обычно бора ) в замедлителе/хладагенте, манипуляций со стержнем управления и управления скоростью турбины (см. Технология ядерных реакторов ) для изменения уровней мощности. Для PWR, которые явно не предназначены для отслеживания нагрузки, операция отслеживания нагрузки не так распространена, как для BWR. Однако современные PWR, как правило, проектируются для работы с обширным регулярным отслеживанием нагрузки, и, в частности, как французские, так и немецкие PWR исторически проектировались с различной степенью расширенных возможностей отслеживания нагрузки. [12]
Франция, в частности, имеет долгую историю использования агрессивного отслеживания нагрузки в своих PWR, которые способны (и используются) как для первичного, так и для вторичного регулирования частоты в дополнение к отслеживанию нагрузки. Во французских реакторах PWR используются так называемые «серые» регулирующие стержни , которые имеют меньшую способность поглощения нейтронов и используются для точной настройки мощности реактора, в отличие от «черных» регулирующих стержней, чтобы маневрировать мощностью быстрее, чем это позволяют химические регулировочные шайбы или обычные регулирующие стержни. . [2] Эти реакторы способны регулярно изменять свою выходную мощность в пределах 30–100 % от номинальной мощности, увеличивать или уменьшать мощность на 2–5 % в минуту во время операций, связанных с нагрузкой, а также участвовать в регулировании первичной и вторичной частоты при ±2–3% (первичное регулирование частоты) и ±3–5% (вторичное регулирование частоты, ≥5% для реакторов N4 в режиме X). В зависимости от конкретной конструкции и режима работы их способность работать на низкой мощности или при быстром нарастании может быть частично ограничена на самых поздних стадиях топливного цикла. [12]
Современные конструкции CANDU имеют широкие возможности перепуска пара, которые позволяют использовать другой метод отслеживания нагрузки, который не обязательно включает в себя изменение выходной мощности реактора. Атомная электростанция Брюса - это тяжеловодный реактор под давлением CANDU, который регулярно использует свою способность частично перепускать пар в конденсатор в течение длительных периодов времени, пока турбина работает, чтобы обеспечить мощность 300 МВт на блок (всего 2400 МВт для электростанции из восьми энергоблоков). гибких (следящих за нагрузкой) возможностей работы. Мощность реактора поддерживается на том же уровне во время операций перепуска пара, что полностью позволяет избежать отравления ксеноном и других проблем, связанных с маневрированием мощности реактора. [13] [14] [15]
Концентрированные солнечные электростанции с накопителями тепла становятся альтернативой электростанциям с отслеживанием нагрузки. [16] [17] Они могут удовлетворять потребность в нагрузке и работать в качестве электростанций с базовой нагрузкой, когда в течение дня обнаруживается избыток извлеченной солнечной энергии. [18] Правильное сочетание солнечной тепловой энергии и солнечных фотоэлектрических систем может полностью компенсировать колебания нагрузки без необходимости использования дорогостоящих аккумуляторов. [19] [20]
Электростанции на топливных элементах на основе водорода являются идеальными электростанциями с отслеживанием нагрузки, такими как аварийные генераторные установки или аккумуляторные системы хранения. Их можно запустить с нуля до полной нагрузки за несколько минут. Поскольку транспортировка водорода к отдаленным промышленным потребителям обходится дорого, излишки водорода, образующиеся в качестве побочного продукта на различных химических заводах, используются для выработки электроэнергии на электростанциях на топливных элементах. [21] Также они не загрязняют воздух и воду. Фактически они очищают окружающий воздух, удаляя частицы PM2,5 , а также производят чистую воду для питьевых и промышленных целей.
Переменная мощность от возобновляемых источников энергии, таких как солнечные и ветряные электростанции, может использоваться для отслеживания нагрузки или стабилизации частоты сети с помощью различных средств хранения. Для стран, которые стремятся отказаться от угольных электростанций с базовой нагрузкой и перейти к прерывистым источникам энергии , таким как ветер и солнечная энергия, которые еще не полностью внедрили меры интеллектуальных сетей , такие как управление спросом , для быстрого реагирования на изменения в этом предложении, может возникнуть необходимость для выделенных пиковых электростанций или электростанций с отслеживанием нагрузки и использования межсетевого соединения, по крайней мере, до тех пор, пока механизмы пикового притупления и смещения нагрузки не будут внедрены достаточно широко для обеспечения соответствия электроснабжению. См. альтернативы интеллектуальных сетей ниже.
По состоянию на 2018 год перезаряжаемые аккумуляторные батареи , изготовленные по индивидуальному заказу для этой цели без повторного использования аккумуляторов электромобилей , стоили в среднем 209 долларов за кВтч в Соединенных Штатах. [22] Когда частота сети ниже желаемого или номинального значения, вырабатываемая мощность (если таковая имеется) и накопленная энергия аккумулятора подаются в сеть для повышения частоты сети. Когда частота сети превышает желаемое или номинальное значение, генерируемая мощность подается или избыточная мощность сети отводится (в случае, если она доступна по низкой цене) в аккумуляторные блоки для хранения энергии. Частота сети продолжает колебаться от 50 до 100 раз в день выше и ниже номинального значения в зависимости от типа нагрузки и типа электростанций в электрической сети. [23] В последнее время стоимость аккумуляторных батарей, солнечных электростанций и т. д. резко снизилась из-за использования вторичной энергии для стабилизации энергосистемы в качестве оперативного резерва . [24] [25]
Новые исследования также оценили способность ветряных и солнечных электростанций реагировать на быстрые изменения нагрузки. Исследование Геворгяна и др. показало способность солнечных электростанций обеспечивать отслеживание нагрузки и быстрый резерв как в островных энергосистемах, таких как Пуэрто-Рико [26] , так и в крупных энергосистемах в Калифорнии. [27]
Децентрализованный и прерывистый характер солнечной и ветровой генерации влечет за собой создание сигнальных сетей на огромных территориях. К ним относятся крупные потребители с дискреционным использованием, а также все чаще и гораздо более мелкие пользователи. В совокупности эти технологии сигнализации и связи называются « умной сетью ». Когда эти технологии проникают в большинство подключенных к сети устройств, иногда используется термин «Энергетический Интернет», хотя чаще его считают одним из аспектов Интернета вещей .
В 2010 году председатель FERC США Джон Веллингхоф изложил точку зрения администрации Обамы , согласно которой передача сигналов в интеллектуальных сетях решительно предпочтительнее специализированных электростанций с отслеживанием нагрузки, назвав их по своей сути неэффективными. В Scientific American он перечислил некоторые такие меры:
В то время только начиналась интеграция аккумуляторов электромобилей в сеть. Веллингхоф упомянул (там же) о том, что «этим автомобилям теперь платят в Делавэре: от 7 до 10 долларов в день за машину. Им платят более 3000 долларов в год за то, что они используют эти автомобили для простого контроля за услугами регулирования в сети, когда с них взимается плата».
Из-за очень высокой стоимости специального хранилища аккумуляторов использование аккумуляторов электромобилей как во время зарядки в транспортных средствах (см. «умная сеть» ), так и в массивах хранения энергии стационарных сетей в качестве повторного использования по окончании срока службы, когда они перестают удерживать достаточно энергии. взимание платы за использование дорог стало предпочтительным методом отслеживания нагрузки по сравнению со специализированными электростанциями. Такие стационарные массивы действуют как настоящая электростанция, отслеживающая нагрузку, и их развертывание может «повысить доступность покупки таких транспортных средств... Аккумуляторы, срок службы которых подходит к концу в автомобильной промышленности, все еще могут рассматриваться для других применений, например, между 70-80% их первоначальной мощности все еще сохраняется». [28] Такие батареи также часто используются в домашних массивах, которые в основном служат в качестве резервных, поэтому могут гораздо легче участвовать в стабилизации сети. Число таких ничего не делающих батарей быстро растет, например, в Австралии , где спрос на Tesla Powerwall вырос в 30 раз после крупных отключений электроэнергии. [29]
Домашние и автомобильные аккумуляторы всегда и обязательно заряжаются оперативно, когда имеется электропитание, то есть все они участвуют в интеллектуальной сети , поскольку высокая нагрузка (по одной японской оценке превышала 7 ГВт для половины автомобилей в Канто) [ нужна цитата ] просто невозможна. управляется по аналоговой сети, чтобы «несогласованная зарядка не могла привести к созданию новой пиковой нагрузки» (там же).
Поскольку зарядкой необходимо управлять, не требуется никаких дополнительных затрат на задержку зарядки или разрядки этих батарей, как того требует отслеживание нагрузки , а просто изменение программного обеспечения и в некоторых случаях плата за неудобства, связанные с неполной зарядкой или износом батареи (например, « в Делавэре платят от 7 до 10 долларов в день за машину).
Институт Роки Маунтин в 2015 году перечислил области применения таких распределенных сетей батарей [30] как (для «ISO/RTO»), включая «накопление энергии может предлагаться на оптовых рынках электроэнергии», или для коммунальных услуг, включая:
RMI заявила, что «батареи могут предоставлять эти услуги более надежно и с меньшими затратами, чем технология, которая в настоящее время обеспечивает большинство из них тепловых электростанций (см. Выше уголь и газ)», а также что «системы хранения, установленные за счетчиком потребителя, могут быть направлены для предоставления услуг по отсрочке или адекватности коммунальным предприятиям», например: