Пиковые электростанции , также известные как пиковые электростанции , а иногда и просто «пиковые», представляют собой электростанции , которые обычно работают только тогда, когда существует высокий спрос, известный как пиковый спрос на электроэнергию . [1] Поскольку они поставляют электроэнергию лишь изредка, подаваемая мощность требует гораздо более высокой цены за киловатт-час, чем мощность базовой нагрузки . Электростанции с пиковой нагрузкой используются в сочетании с электростанциями с базовой нагрузкой , которые поставляют надежное и постоянное количество электроэнергии для удовлетворения минимального спроса.
Хотя исторически пиковые электростанции часто использовались вместе с угольными электростанциями, сейчас пиковые электростанции используются реже. Газотурбинные установки комбинированного цикла имеют два или более циклов, первый из которых очень похож на пиковую установку, а второй работает на отходящем тепле первого. Электростанции такого типа часто способны быстро запуститься, хотя и с пониженной эффективностью, а затем в течение нескольких часов перейти в более эффективный режим генерации базовой нагрузки. Электростанции комбинированного цикла имеют такие же капитальные затраты на ватт, что и пиковые электростанции, но работают гораздо дольше и в целом используют меньше топлива и, следовательно, дают более дешевую электроэнергию.
По состоянию на 2020 год стоимость электроэнергии на газовых турбинах открытого цикла составит около 151–198 долларов за МВтч. [2]
Пиковые электростанции в некоторых местах заменены аккумуляторными накопителями . [3] Управление энергетики Нью-Йорка (NYPA) стремится заменить газовые пиковые электростанции аккумуляторными батареями, [4] [5] 142 Tesla Megapacks (обеспечивающие 100 МВт) заменили газовые пиковые электростанции в округе Вентура , Калифорния [6] [ 7] , а в Лессине , Бельгия, 40 мегапакетов Tesla (50 МВт) заменили турбореактивный генератор. [8] В апреле 2021 года Австралийский совет по чистой энергии обнаружил, что аккумуляторные батареи могут быть на 30% дешевле, чем газовые пиковые электростанции. [9]
Часы пик обычно приходятся на утро или ближе к вечеру/дню, в зависимости от местоположения. В умеренном климате часы пик часто возникают, когда бытовая техника интенсивно используется вечером после рабочего времени. В жарком климате пик обычно приходится на полдень, когда нагрузка на кондиционирование воздуха высока, в это время многие рабочие места все еще открыты и потребляют электроэнергию. В холодном климате пик приходится на утро, когда запускаются отопление помещений и промышленность. [10]
Пиковая электростанция может работать много часов в день или всего несколько часов в год, в зависимости от состояния электрической сети региона . Из-за стоимости строительства эффективной электростанции, если пиковая электростанция будет работать только в течение короткого или сильно меняющегося времени, нет экономического смысла делать ее такой же эффективной, как электростанция с базовой нагрузкой. Кроме того, оборудование и топливо, используемые на электростанциях с базовой нагрузкой, часто не подходят для использования на пиковых электростанциях, поскольку нестабильные условия могут серьезно нагружать оборудование. По этим причинам атомная энергия , электростанции, работающие на переработке отходов , уголь и биомасса редко, если вообще когда-либо, используются в качестве пиковых электростанций.
По мере того, как страны переходят от электростанций с базовой нагрузкой, работающих на ископаемом топливе, к возобновляемым, но прерывистым источникам энергии , таким как ветер и солнечная энергия, наблюдается соответствующий рост потребности в сетевых системах хранения энергии , как возобновляемых альтернативах построению большего количества пиковых или отслеживающих нагрузку электростанций. растения. Другой вариант — более широкое распределение генерирующих мощностей за счет использования межсетевых связей, таких как WECC Intertie Paths .
Пиковые установки обычно представляют собой газовые турбины или газовые двигатели , сжигающие природный газ . Некоторые сжигают биогаз или жидкости, полученные из нефти , такие как дизельное топливо и топливо для реактивных двигателей , но они, как правило, дороже природного газа, поэтому их использование ограничивается областями, не снабжаемыми природным газом. Помимо природного газа, многие пиковые электростанции могут использовать нефть в качестве резервного топлива, храня нефть в резервуарах на месте. Термодинамический КПД газотурбинных электростанций простого цикла колеблется от 20 до 42%, при этом средний показатель для новой электростанции составляет от 30 до 42%.
Для большей эффективности на выхлопе установлен парогенератор-утилизатор (HRSG). Это известно как установка с комбинированным циклом . Когенерация использует отработанное тепло выхлопных газов для технологических процессов, централизованного теплоснабжения или других целей отопления. Оба эти варианта используются только на установках, которые предназначены для эксплуатации в течение более длительного времени, чем обычно. Генераторы на природном газе и дизельные генераторы с поршневыми двигателями иногда используются для поддержки сети небольших электростанций.
Еще одним вариантом повышения эффективности и выходной мощности газовых турбин является установка системы охлаждения воздуха на входе в турбину , которая охлаждает температуру воздуха на входе, увеличивая массовый расход. Эта опция в сочетании с баком-аккумулятором тепловой энергии позволяет увеличить выходную мощность турбины в пиковые периоды до 30%. [11]
Плотины гидроэлектростанций намеренно варьируются. Они могут производить меньше электроэнергии в непиковые периоды и быстро реагировать на пиковые нагрузки, следовательно, гидроэлектростанция может функционировать как станция, отслеживающая нагрузку, или как пиковая, а при достаточном количестве воды – как станция с базовой нагрузкой. Газовые турбины или гидроаккумулирующие станции часто используются там, где гидроэлектроэнергии недостаточно, чтобы реагировать на ежедневные и еженедельные изменения в выработке и потреблении. [13]
Нет ничего необычного в том, что плотина строится с большей пропускной способностью, чем может обеспечить водоснабжение, что позволяет обеспечить более высокую пиковую производительность. Модернизация оборудования на существующих плотинах может быть одним из наименее затратных способов увеличения пиковой выработки электроэнергии. [14] Возможность изменять количество вырабатываемой электроэнергии часто ограничивается требованием соблюдения минимального или максимального потоков вниз по течению. [15]
Гидроаккумулирующая гидроэлектроэнергия - это самая мощная форма хранения энергии в сети, используемая для усреднения внепиковых и пиковых потребностей в электроэнергии. Объект хранит энергию, используя гравитационный потенциал воды, хранящейся в резервуаре. Недорогая внепиковая электроэнергия от базовой нагрузки или прерывистых источников используется для перекачки воды на небольшой высоте и ее хранения в высокогорном резервуаре. В периоды высокого спроса на электроэнергию накопленная вода выпускается через турбины для производства электроэнергии. Время запуска составляет всего несколько минут, а некоторые могут запуститься за несколько десятков секунд. [16]
Батареи используются в некоторых случаях, когда условия благоприятствуют этому, для плавного потока, избегая дорогостоящей модернизации линии электропередачи, а также для обеспечения пиковой мощности [17] [18] и других сетевых услуг [19] , таких как оперативный резерв , иногда в гибридной конфигурации с турбины [20] или дизельные двигатели. Аккумуляторная батарея на сегодняшний день является самой быстрой из всех электростанций и может реагировать на состояние сети за миллисекунды, давая более медленно реагирующему оборудованию возможность реагировать на сбои.
Аккумулирующие электростанции и аккумуляторы являются чистыми потребителями, поскольку они не имеют собственного источника энергии, а преобразование между электричеством и накоплением и обратно влечет за собой некоторые потери.
Солнечные тепловые пиковые электростанции были предложены в 2017 году в рамках награды Министерства энергетических технологий 2 США «Рынок» [21] Хэнка Прайса из SolarDynamics, в чьей статье «Диспетчерная солнечная электростанция» [22] предлагалось использовать накопление тепловой энергии, присущее солнечным тепловым установкам. энергетическая электростанция, которая позволяет этой форме солнечной энергии, основанной на тепле, генерировать энергию, как газовый пикер, поставлять электроэнергию по требованию днем или ночью, а взамен контролироваться коммунальным предприятием и оплачивать платежи за мощность, которые будут доступны при необходимости, как традиционное пиковое растение. Солнечная тепловая электростанция производит электроэнергию на электростанции с паровым циклом, как и традиционная электростанция, но тепло для пара подается за счет солнечной энергии, нагревающей материал, такой как расплавленные соли, и сохраняет тепло до тех пор, пока оно не понадобится для производства пара для выработки электроэнергии.
В систему экономичного электроснабжения будут включены также электростанции с базовой нагрузкой . Эти энергоблоки будут ориентированы на низкие дополнительные затраты на топливо, но могут потребовать более высоких капитальных вложений для повышения эффективности. Например, электростанция с пиковой нагрузкой может использовать только газовую турбину, тогда как электростанция с базовой нагрузкой может также добавить паровой «нижний цикл», чтобы улучшить общий расход топлива на единицу произведенной электроэнергии. Атомные и угольные электростанции обычно работают непрерывно, останавливаясь только для технического обслуживания или непредвиденных отключений. [23]
Низкая дополнительная стоимость топлива атомных электростанций по сравнению с высокими капитальными затратами делает их использование для обеспечения базовой нагрузки наиболее экономичным. Гидроэлектростанции с небольшими ограничениями на подачу воды могут использоваться для базовой нагрузки, поскольку их дополнительные затраты на топливо равны нулю. Поскольку переход электростанции с паровым циклом из холодного резерва на полную мощность может занять несколько часов, они обычно не используются для обеспечения работы при пиковой нагрузке. [24]
Электростанции с промежуточной нагрузкой , такие как гидроэлектростанции, работают между этими крайностями, сокращая свою мощность по ночам и в выходные дни, когда спрос низкий. Электростанции с базовой нагрузкой и промежуточные установки используются преимущественно для удовлетворения спроса на электроэнергию, поскольку более низкий КПД пиковых электростанций делает их эксплуатацию более дорогой. [25]
Объект предлагает возможности аккумулирования энергии, аналогичные возможностям гидроэлектростанций, помогая улучшить баланс спроса и предложения.
мощность 20 МВт/80 МВтч. система будет взимать плату за электроэнергию из сети в непиковые часы, когда спрос низкий, а затем поставлять электроэнергию в часы пик.
управлять спросом в периоды пиковой нагрузки, обеспечивать надежное резервное питание и снижать расходы на пиковую нагрузку в течение дня. Проект также направлен на продажу регулирования частоты. Утилита использует несколько потоков создания ценности
две гибридные электрогазотурбинные установки (ЭГТ). Каждая пиковая электростанция имеет мощность 50 мегаватт и оснащена набором батарей, способных обеспечить мощность 10 мегаватт и 4 мегаватт-часа. Хитрость здесь в том, как вы координируете систему управления, поэтому с точки зрения работы сети вы видите черный ящик, который подает энергию так, как им это нужно, и тогда, когда они им нужны.