Электростанция , следящая за нагрузкой , считается производящей электроэнергию средней ценности или средней цены, — это электростанция , которая регулирует свою выработку электроэнергии в зависимости от колебаний спроса на электроэнергию в течение дня. [1] Электростанции, следящие за нагрузкой, обычно находятся между базовыми и пиковыми электростанциями по эффективности, скорости запуска и выключения, стоимости строительства, стоимости электроэнергии и коэффициенту мощности .
Электростанции с базовой нагрузкой — это управляемые станции, которые, как правило, работают с максимальной производительностью. [ требуется ссылка ] Они, как правило, отключаются или снижают мощность только для проведения технического обслуживания или ремонта или из-за ограничений сети. [2] Электростанции, работающие в основном таким образом, включают угольные , мазутные , атомные , геотермальные , русловые гидроэлектростанции , биомассовые и электростанции комбинированного цикла, работающие на природном газе . [ требуется ссылка ]
Пиковые электростанции работают только в периоды пикового спроса. В странах с широко распространенным кондиционированием воздуха пик спроса приходится на середину дня, поэтому типичная пиковая электростанция может запускаться за пару часов до этого момента и выключаться через пару часов после. [ необходима цитата ] Продолжительность работы пиковых электростанций варьируется от значительной части дня до всего лишь пары десятков часов в год.
Пиковые электростанции включают 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 — например, в то время как большинство газотурбинных установок в основном сжигают природный газ, иногда на случай перебоев с подачей газа имеется запас мазута и/или дизельного топлива. [ требуется цитата ] Другие газовые турбины могут сжигать только одно топливо.
В отличие от этого, электростанции, следующие за нагрузкой, обычно работают днем и ранним вечером и эксплуатируются в ответ на изменение спроса на электроэнергию. Они либо отключаются, либо значительно сокращают выработку ночью и ранним утром, когда спрос на электроэнергию самый низкий. Точные часы работы зависят от множества факторов. Одним из важнейших факторов для конкретной станции является то, насколько эффективно она может преобразовывать топливо в электричество. Самые эффективные станции, которые почти всегда являются наименее затратными в эксплуатации на киловатт-час произведенной энергии, вводятся в эксплуатацию в первую очередь.
По мере увеличения спроса вводятся в эксплуатацию следующие по эффективности электростанции и так далее. Состояние электросети в этом регионе, особенно то, какая у нее базовая мощность генерации нагрузки, и изменение спроса также очень важны. Дополнительным фактором эксплуатационной изменчивости является то, что спрос меняется не только между ночью и днем. Существуют значительные изменения во времени года и днях недели. Региону с большими колебаниями спроса потребуется большая следующая за нагрузкой или пиковая мощность электростанции, поскольку электростанции с базовой нагрузкой могут покрывать только мощность, равную необходимой в периоды самого низкого спроса.
Электростанции, следующие за нагрузкой, могут быть гидроэлектростанциями, дизельными и газовыми электростанциями, газотурбинными электростанциями комбинированного цикла и паротурбинными электростанциями, работающими на природном газе или тяжелом топливе , хотя установки на тяжелом топливе составляют очень небольшую часть энергетического баланса. Относительно эффективная модель газовой турбины, работающей на природном газе, также может стать достойной электростанцией, следующей 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 как «пиковые» блоки в периоды максимального спроса на электроэнергию или электростанции комбинированного цикла или когенерации , где отработанное тепло выхлопных газов турбин может быть экономично использовано для выработки дополнительной электроэнергии и тепловой энергии для технологических процессов или отопления помещений.
Дизельные и газовые электростанции могут использоваться для базовой нагрузки и резервного производства 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 области применения: базовая выработка электроэнергии, ветро-дизельные установки, отслеживание нагрузки, когенерация и тригенерация.
Гидроэлектростанции могут работать как базовые, следящие за нагрузкой или пиковые электростанции. Они способны 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 работы на полной мощности на постоянной основе. [ необходима цитата ]
Там, где существуют плотины гидроэлектростанций или связанные с ними водохранилища, их часто можно резервировать, резервируя гидроразрыв для пикового времени. Это создает экологический и механический стресс, поэтому сегодня практикуется реже, чем раньше. Озера и искусственные водохранилища, используемые для гидроэнергетики, бывают всех размеров, вмещая достаточно воды для однодневного запаса (дневной пиковый разброс) или годового запаса, что позволяет сезонный пиковый разброс.
Станция с водохранилищем, которое вмещает меньше годового речного стока, может менять свой режим работы в зависимости от сезона года. Например, станция может работать как пиковая станция в сухой сезон, как станция базовой нагрузки в сезон дождей и как станция, отслеживающая нагрузку между сезонами. Станция с большим водохранилищем может работать независимо от влажных и сухих сезонов, например, работая на максимальной мощности в пиковые сезоны отопления или охлаждения. [ необходима цитата ]
Когда электрогенерация, питающая сеть, и потребление или нагрузка на электросеть находятся в равновесии, частота переменного тока находится на своем нормальном уровне (50 или 60 Гц). Гидроэлектростанции могут использоваться для получения дополнительного дохода в электросети с неустойчивой частотой сети. Когда частота сети выше нормы, например, частота индийской сети превышает номинальные 50 Гц большую часть времени в месяц/день, [3] дополнительная доступная мощность может быть потреблена путем добавления дополнительной нагрузки, например, сельскохозяйственных водяных насосов, в сеть, и эта новая энергия доступна по номинальной цене или бесплатно. Однако может не быть гарантии непрерывной поставки по этой цене, когда частота сети падает ниже нормы, что затем потребует более высокой цены. [ требуется цитата ] [ требуется разъяснение ]
Чтобы остановить падение частоты ниже нормы, имеющиеся гидроэлектростанции поддерживаются в режиме работы без нагрузки/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 вырабатывать электроэнергию до полной нагрузки, если частота сети ниже 50 Гц. Таким образом, коммунальное предприятие может получать в два и более раз больше энергии из сети, загружая гидроагрегаты менее чем на 50% от продолжительности, а эффективное использование доступной воды увеличивается более чем в два раза по сравнению с обычной работой при пиковой нагрузке. [4] [ необходимо разъяснение ]
Пример ежедневной пиковой нагрузки (для Bonneville Power Administration ) с большой гидроэнергией, базовой тепловой генерацией и прерывистой ветровой энергией. Гидроэнергия следует за нагрузкой и управляет пиками, с некоторой реакцией со стороны базовой тепловой нагрузки. Обратите внимание, что общая генерация всегда больше общей нагрузки BPA, поскольку большую часть времени BPA является чистым экспортером энергии. Нагрузка BPA не включает запланированную энергию для других областей балансирующего органа. [6]
Крупные угольные тепловые электростанции также могут использоваться в качестве электростанций с переменной нагрузкой/следования за нагрузкой в различной степени, при этом электростанции на каменном угле обычно значительно более гибкие, чем электростанции на буром угле. Некоторые из особенностей, которые можно найти в угольных электростанциях, оптимизированных для следования за нагрузкой, включают:
Исторически атомные электростанции строились как станции базовой нагрузки, без возможности отслеживания нагрузки, чтобы сохранить простоту конструкции. Их запуск или остановка занимали много часов, поскольку они были спроектированы для работы на максимальной мощности, а нагрев парогенераторов до нужной температуры требовал времени. [2] Активисты-антиядерщики и Федеральное министерство окружающей среды Германии также изображали атомную энергетику как негибкую, в то время как другие утверждали, что «станции могут засорить энергосистему». [7]
Современные атомные электростанции с легководными реакторами спроектированы так, чтобы иметь возможности маневрирования в диапазоне 30-100% с наклоном 5%/минуту, до 140 МВт/минуту. [7] Атомные электростанции во Франции работают в режиме следования за нагрузкой и, таким образом, участвуют в первичном и вторичном регулировании частоты. Некоторые блоки следуют программе переменной нагрузки с одним или двумя большими изменениями мощности в день. Некоторые конструкции допускают быстрые изменения уровня мощности около номинальной мощности, что можно использовать для регулирования частоты. [8] Более эффективное решение — поддерживать первичный контур на полной мощности и использовать избыточную мощность для когенерации. [9]
Хотя большинство атомных электростанций, эксплуатируемых по состоянию на начало 2000-х годов, уже были спроектированы с мощными возможностями отслеживания нагрузки, они могли не использоваться как таковые по чисто экономическим причинам: производство атомной энергии почти полностью состоит из фиксированных и невозвратных затрат, поэтому снижение выработки электроэнергии не приводит к значительному снижению затрат на производство, поэтому более эффективно запускать их на полную мощность большую часть времени. [10] [11] В странах, где базовая нагрузка преимущественно приходилась на атомную энергию (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 своей мощности до 60% от номинальной мощности (до 10%/минуту), что делает их полезными для ночного следования за нагрузкой. Они также могут использовать манипуляцию стержнями управления для достижения более глубокого снижения мощности. Несколько конструкций BWR не имеют рециркуляционных насосов, и эти конструкции должны полагаться исключительно на манипуляцию стержнями управления для следования за нагрузкой, что, возможно, менее идеально. [12] На таких рынках, как Чикаго, Иллинойс, где половина парка местных коммунальных предприятий — это BWR, обычно следуют за нагрузкой (хотя это потенциально менее экономично).
Реакторы с водой под давлением (PWR) используют комбинацию химической прокладки , обычно бора , в замедлителе/теплоносителе, манипуляции стержнями управления и управления скоростью турбины (см. технологию ядерных реакторов ) для изменения уровней мощности. Для PWR, не спроектированных явно с учетом отслеживания нагрузки, операция отслеживания нагрузки не так распространена, как в случае с BWR. Современные PWR, как правило, рассчитаны на обработку обширного регулярного отслеживания нагрузки, и как французские, так и немецкие PWR в частности исторически проектировались с различной степенью расширенных возможностей отслеживания нагрузки. [12]
Франция, в частности, имеет долгую историю использования агрессивного отслеживания нагрузки с помощью своих PWR, которые способны и используются для первичного и вторичного управления частотой, в дополнение к отслеживанию нагрузки. Французские PWR используют так называемые «серые» стержни управления , которые имеют более низкую способность поглощать нейтроны и используются для тонкой настройки мощности реактора, в отличие от «черных» стержней управления, чтобы маневрировать мощностью быстрее, чем позволяют управление с помощью химической прокладки или обычные стержни управления. [2]
Эти реакторы имеют возможность регулярно изменять свою мощность в пределах 30–100% от номинальной мощности, маневрировать мощностью вверх или вниз на 2–5%/минуту во время действий по отслеживанию нагрузки и участвовать в первичном и вторичном регулировании частоты на уровне ±2–3% (первичное регулирование частоты) и ±3–5% (вторичное регулирование частоты, ≥5% для реакторов N4 в режиме X). В зависимости от точной конструкции и режима работы их способность справляться с работой на низкой мощности или быстрым нарастанием может быть частично ограничена на самых поздних стадиях топливного цикла. [12]
Современные конструкции CANDU имеют обширные возможности перепуска пара, которые позволяют использовать другой метод отслеживания нагрузки, который не обязательно подразумевает изменения выходной мощности реактора. Ядерная генерирующая станция Брюса — это тяжеловодный реактор CANDU под давлением, который регулярно использует свою способность частично перепускать пар в конденсатор в течение длительных периодов времени, пока турбина работает, чтобы обеспечить 300 МВт на блок (всего 2400 МВт для восьмиблочной станции) гибких (следующих за нагрузкой) рабочих возможностей. Мощность реактора поддерживается на том же уровне во время операций перепуска пара, что полностью исключает отравление ксеноном и другие проблемы, связанные с маневрированием выходной мощности реактора. [13] [14] [15]
Концентрированные солнечные электростанции с тепловым аккумулятором становятся вариантом для электростанций, следующих за нагрузкой. [16] [17] Они могут обслуживать спрос на нагрузку и работать как электростанции базовой нагрузки, когда извлеченная солнечная энергия оказывается избыточной в течение дня. [18] Правильное сочетание солнечного теплового аккумулятора и солнечных фотоэлектрических систем может полностью компенсировать колебания нагрузки без необходимости использования дорогостоящих аккумуляторных батарей. [19] [20]
Электростанции на основе водородных топливных элементов являются идеальными электростанциями, следующими за нагрузкой, такими как аварийные дизель-генераторные установки или аккумуляторные системы хранения. Они могут работать от нуля до полной нагрузки в течение нескольких минут. Поскольку транспортировка водорода к удаленным промышленным потребителям обходится дорого, излишки водорода, получаемые в качестве побочного продукта на различных химических заводах, используются для выработки электроэнергии на электростанциях на топливных элементах. [21] Кроме того, они не загрязняют воздух и воду. Фактически, они очищают окружающий воздух, извлекая частицы PM2.5 , а также производят чистую воду для питья и промышленного применения.
Переменная мощность от возобновляемых источников энергии, таких как солнечные и ветровые электростанции, может использоваться для отслеживания нагрузки или стабилизации частоты сети с помощью различных средств хранения. Для стран, которые стремятся отказаться от угольных базовых электростанций и перейти к прерывистым источникам энергии , таким как ветер и солнце, и которые еще не полностью внедрили такие интеллектуальные сетевые меры, как управление спросом для быстрого реагирования на изменения в этом предложении, может возникнуть необходимость в выделенных пиковых или следующих за нагрузкой электростанциях и использовании межсетевого взаимодействия, по крайней мере, до тех пор, пока механизмы сглаживания пиков и переключения нагрузки не будут внедрены достаточно широко, чтобы соответствовать предложению. См. альтернативы интеллектуальным сетям ниже.
Перезаряжаемые аккумуляторные батареи по состоянию на 2018 год, когда они были изготовлены на заказ для этой цели без повторного использования аккумуляторов электромобилей , стоили в среднем 209 долларов за кВт·ч в Соединенных Штатах. [22] Когда частота сети ниже желаемого или номинального значения, генерируемая мощность, если таковая имеется, и сохраненная энергия батареи подаются в сеть для повышения частоты сети. Когда частота сети выше желаемого или номинального значения, генерируемая мощность подается или избыток энергии сети отбирается, если это дешево, 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 встречающейся нагрузки и типа генерирующих установок в электросети. [23] В последнее время стоимость аккумуляторных блоков, солнечных электростанций и т. д. резко снизилась, чтобы использовать вторичную энергию для стабилизации электросети в качестве резерва вращения в режиме онлайн . [24] [25]
Новые исследования также оценили как ветровые, так и солнечные электростанции для отслеживания быстрых изменений нагрузки. Исследование Геворгяна и др. показало способность солнечных электростанций обеспечивать отслеживание нагрузки и быстрые резервы как в островных энергосистемах, таких как Пуэрто-Рико [26] , так и в крупных энергосистемах Калифорнии. [27]
Децентрализованная и прерывистая природа солнечной и ветровой генерации влечет за собой создание сигнальных сетей на обширных территориях. Они включают крупных потребителей с дискреционным использованием и все чаще включают гораздо более мелких пользователей. В совокупности эти сигнальные и коммуникационные технологии называются « умной сетью ». Когда эти технологии достигают большинства подключенных к сети устройств, иногда используется термин «энергетический интернет», хотя чаще это считается аспектом Интернета вещей .
В 2010 году председатель FERC США Джон Веллингхоф изложил точку зрения администрации Обамы , которая решительно предпочитала интеллектуальную сетевую сигнализацию выделенным электростанциям, следующим за нагрузкой, описывая следование как изначально неэффективное. В Scientific American он перечислил некоторые из таких мер:
В то время начиналась интеграция аккумуляторов электромобилей в сеть. Веллингхоф ссылался (там же) на то, что «теперь эти автомобили получают оплату в Делавэре: от 7 до 10 долларов в день за машину. Им платят более 3000 долларов в год за использование этих автомобилей для простого контроля за регулировкой обслуживания в сети, когда они заряжаются».
Из-за очень высокой стоимости выделенного хранения аккумуляторов, использование аккумуляторов электромобилей как во время зарядки в транспортных средствах (см. интеллектуальную сеть ), так и в стационарных массивах хранения энергии в качестве повторного использования по окончании срока службы, когда они больше не держат достаточно заряда для использования на дороге, стало предпочтительным методом следования за нагрузкой по сравнению со специализированными электростанциями. Такие стационарные массивы действуют как настоящая электростанция, следующая за нагрузкой, и их развертывание может «повысить доступность покупки таких транспортных средств... Аккумуляторы, которые достигают конца своего полезного срока службы в автомобильной промышленности, все еще могут рассматриваться для других применений, поскольку от 70 до 80% их первоначальной емкости все еще остается». [28]
Такие батареи часто повторно используются в домашних массивах, которые в первую очередь служат резервными, поэтому могут гораздо легче участвовать в стабилизации сети. Количество таких батарей, которые ничего не делают, 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 есть доступ к электроснабжению, то есть все они участвуют в интеллектуальной сети , поскольку высокая нагрузка (по одной из японских оценок, превышала 7 ГВт для половины автомобилей в Канто) [ необходима ссылка ] просто не может быть реализована в аналоговой сети, поскольку «нескоординированная зарядка может привести к созданию новой пиковой нагрузки» (там же).
Учитывая, что зарядку необходимо контролировать, не требуется дополнительных затрат на задержку зарядки или разрядки этих аккумуляторов, как это требуется для отслеживания нагрузки , а требуется лишь изменение программного обеспечения и, в некоторых случаях, плата за неудобства, связанные с неполной зарядкой или износом аккумулятора (например, «от 7 до 10 долларов в день за автомобиль» в штате Делавэр).
В 2015 году Институт Роки Маунтин перечислил области применения таких распределенных сетей батарей [30] , например (для «ISO/RTO»), в том числе «аккумулирование энергии может быть востребовано на оптовых рынках электроэнергии» или для коммунальных услуг, в том числе:
RMI утверждает, что «аккумуляторные батареи могут предоставлять эти услуги более надежно и по более низкой цене, чем технология, которая в настоящее время используется на большинстве тепловых электростанций (см. выше об угле и газе)», а также что «системы хранения, установленные за счетчиком потребителя, могут быть задействованы для предоставления коммунальным службам услуг отсрочки или адекватности», например: