Пиковые электростанции , также известные как пиковые электростанции , а иногда просто «пиковые», — это электростанции , которые обычно работают только тогда, когда есть высокий спрос, известный как пиковый спрос , на электроэнергию . [1] Поскольку они поставляют электроэнергию только изредка, поставляемая электроэнергия имеет гораздо более высокую цену за киловатт-час, чем базовая мощность. Пиковые электростанции работают в сочетании с базовыми электростанциями , [ требуется ссылка ] которые поставляют надежное и постоянное количество электроэнергии для удовлетворения минимального спроса.
Хотя исторически пиковые электростанции часто использовались в сочетании с угольными базовыми электростанциями, пиковые электростанции сейчас используются реже. Газотурбинные электростанции с комбинированным циклом имеют два или более циклов, первый из которых очень похож на пиковую электростанцию, а второй работает на отходящем тепле первой . Этот тип электростанции часто способен быстро запускаться, хотя и с пониженной эффективностью, а затем в течение нескольких часов переходить в более эффективный режим генерации базовой нагрузки. Электростанции с комбинированным циклом имеют схожие капитальные затраты на ватт с пиковыми электростанциями, но работают гораздо дольше и потребляют меньше топлива в целом, а значит, вырабатывают более дешевую электроэнергию.
По состоянию на 2020 год газовые турбины открытого цикла обеспечивают себестоимость электроэнергии около 151–198 долл. США/МВт·ч. [2]
В некоторых местах пиковые электростанции были заменены на аккумуляторные батареи . [3] Управление энергетики Нью-Йорка (NYPA) стремится заменить газовые пиковые электростанции на аккумуляторные батареи. [4] [5] 142 Tesla Megapacks (выдающие 100 МВт) заменили газовую пиковую электростанцию в округе Вентура , Калифорния [6] [7], а в Лессине , Бельгия, 40 Tesla Megapacks (50 МВт) заменили турбореактивный генератор. [8] Совет по чистой энергии Австралии в апреле 2021 года обнаружил, что аккумуляторные батареи могут быть на 30 % дешевле газовых пиковых электростанций. [9]
Пиковые часы обычно приходятся на утро или поздний вечер/вечер в зависимости от местоположения. В умеренном климате пиковые часы часто возникают, когда бытовые приборы интенсивно используются вечером после рабочего дня. В жарком климате пик обычно приходится на поздний вечер, 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 региональной электросети . Из-за стоимости строительства эффективной электростанции, если пиковая электростанция будет работать только в течение короткого или сильно изменчивого времени, экономически нецелесообразно делать ее такой же эффективной, как электростанция базовой нагрузки. Кроме того, оборудование и топливо, используемые на станциях базовой нагрузки, часто не подходят для использования на пиковых станциях, поскольку меняющиеся условия будут сильно нагружать оборудование. По этим причинам ядерные , отходы в энергию , уголь и биомасса редко, если вообще когда-либо, используются в качестве пиковых станций.
Поскольку страны стремятся отказаться от базовых нагрузок на ископаемом топливе и перейти к возобновляемым, но непостоянным источникам энергии, таким как ветер и солнце, соответственно растет потребность в системах хранения энергии в сетях , как в возобновляемых альтернативах строительству большего количества пиковых или следующих за нагрузкой электростанций. Другим вариантом является более широкое распределение генерирующих мощностей за счет использования межсетевых соединений, таких как WECC Intertie Paths .
Пиковые электростанции, как правило, представляют собой газовые турбины или газовые двигатели , которые сжигают природный газ . Некоторые сжигают биогаз или жидкости, полученные из нефти , такие как дизельное топливо и реактивное топливо , но они, как правило, дороже природного газа, поэтому их использование ограничено территориями, 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 составляет от 20 до 42%, при этом средний показатель для новой электростанции составляет от 30 до 42%.
Для большей эффективности на выхлопе добавляется парогенератор-утилизатор (HRSG). Это известно как установка комбинированного цикла . Когенерация использует тепло отработанных газов для технологических нужд, централизованного теплоснабжения или других целей отопления. Оба эти варианта используются только на установках, которые предназначены для эксплуатации в течение более длительного периода, чем обычно. Генераторы на природном газе и дизельные генераторы с поршневыми двигателями иногда используются для поддержки сети с использованием установок меньшего размера.
Другим вариантом повышения эффективности и выходной мощности газовых турбин является установка системы охлаждения впускного воздуха турбины , которая охлаждает температуру впускного воздуха, увеличивая массовый расход. Этот вариант в сочетании с резервуаром для хранения тепловой энергии может увеличить выходную мощность турбины в пиковые периоды до 30%. [11]
Плотины гидроэлектростанций намеренно изменчивы. Они могут генерировать меньше в непиковый период и быстро реагировать на пиковый спрос, следовательно, гидроэлектростанция может функционировать как следящая за нагрузкой или пиковая станция, а при достаточном количестве воды — как базовая станция. Турбины на природном газе или гидроаккумулирующие установки часто используются там, где недостаточно гидроэлектроэнергии для реагирования на ежедневные и еженедельные изменения в генерации и потреблении. [13]
Нередко плотину строят с большей мощностью, чем может обеспечить водоснабжение, что позволяет достичь более высокой пиковой выработки. Модернизация оборудования на существующих плотинах может быть одним из наименее затратных способов увеличения пиковой выработки. [14] Возможность варьировать количество вырабатываемой электроэнергии часто ограничивается требованием, чтобы были удовлетворены минимальные или максимальные потоки ниже по течению. [15]
Гидроаккумулирующая электростанция является самой мощной формой хранения энергии в сети, используемой для усреднения внепиковых и пиковых потребностей в электроэнергии. Участок хранит энергию, используя гравитационный потенциал воды, хранящейся в резервуаре. Недорогая внепиковая электроэнергия из базовых или прерывистых источников используется для перекачивания воды с низкой высоты в хранилище в высокорасположенном резервуаре. В периоды высокого спроса на электроэнергию накопленная вода выпускается через турбины для выработки электроэнергии. Время запуска составляет всего несколько минут, а некоторые могут запускаться через несколько десятков секунд. [16]
Аккумуляторы используются в некоторых случаях, когда условия благоприятствуют плавному потоку, избегая дорогостоящего обновления линии электропередачи, а также обеспечивая пиковую мощность [17] [18] и другие сетевые услуги [19] , такие как оперативный резерв , иногда в гибридной конфигурации с турбинами [20] или дизельными двигателями. Аккумуляторная энергия является самой быстро реагирующей из всех электростанций и может реагировать на условия сети в миллисекундных масштабах времени, давая более медленно реагирующему оборудованию возможность реагировать на отключения.
Гидроаккумулирующие установки и аккумуляторные батареи являются чистыми потребителями, поскольку не имеют собственного источника энергии, а преобразование электроэнергии в хранилище и обратно влечет за собой некоторые потери.
Солнечные тепловые пиковые электростанции были предложены в 2017 году в рамках премии Министерства энергетики США Technology 2 Market [21] Хэнку Прайсу из SolarDynamics, чья статья «Управляемая солнечная электростанция» [22] предложила использовать накопление тепловой энергии, присущее солнечной тепловой электростанции, что позволяет этой форме солнечной энергии на основе тепла генерировать энергию как газовый пиковый генератор, поставлять электроэнергию по требованию днем или ночью, и взамен контролироваться коммунальной службой и оплачиваться в виде платежей за мощность, чтобы быть доступной при необходимости, как традиционная пиковая электростанция. Солнечная тепловая электростанция вырабатывает электроэнергию на электростанции парового цикла, как традиционная электростанция, но тепло для пара поступает за счет солнечной энергии, нагревающей материал, такой как расплавленные соли, и сохраняющей тепло до тех пор, пока оно не понадобится для производства пара для выработки электроэнергии.
Экономичная система электроснабжения также будет включать электростанции базовой нагрузки . Эти генерирующие блоки будут подчеркивать низкую приростную стоимость топлива, но могут использовать более высокие капитальные вложения для повышения эффективности. Например, пиковая станция может использовать только газовую турбину, в то время как станция базовой нагрузки может также добавлять паровой «нижний цикл» для улучшения общего потребления топлива станцией на единицу произведенной электроэнергии. Атомные и угольные электростанции обычно работают непрерывно, останавливаясь только для технического обслуживания или непредвиденных отключений. [23]
Низкая стоимость прироста топлива атомных электростанций по сравнению с высокой стоимостью капитала делает их наиболее экономичными для базового питания. Гидроэлектростанции с небольшими ограничениями по водоснабжению могут использоваться для базовой нагрузки, поскольку их стоимость прироста топлива равна нулю. Поскольку паровой электростанции может потребоваться несколько часов, чтобы перейти из холодного резерва в полную мощность, они обычно не используются для обеспечения пиковой нагрузки. [24]
Электростанции с промежуточной нагрузкой , такие как гидроэлектростанции, работают между этими крайностями, сокращая свою выработку по ночам и выходным, когда спрос низкий. Базовые и промежуточные электростанции используются преимущественно для удовлетворения спроса на электроэнергию, поскольку более низкая эффективность пиковых электростанций делает их эксплуатацию более дорогой. [25]
предлагает возможности хранения энергии, аналогичные возможностям насосных гидроэлектростанций, одновременно помогая улучшить баланс спроса и предложения.
мощность 20 МВт/80 МВт·ч . система будет заряжаться, используя электроэнергию из сети в часы пониженной нагрузки, когда спрос низкий, а затем поставлять электроэнергию в часы пик
управлять спросом в пиковые периоды, обеспечивать надежное резервное питание и снижать свои пиковые расходы в течение дня. Проект также направлен на продажу регулирования частоты . Коммунальная служба использует несколько потоков создания ценности
две гибридные электрические газотурбинные установки (EGT). Каждая пиковая электростанция находится в диапазоне 50 мегаватт и оснащена набором батарей, способных обеспечить 10 мегаватт и 4 мегаватт-часа энергии. Хитрость здесь в том, как вы координируете систему управления, поэтому с точки зрения работы сети вы видите черный ящик, который поставляет энергию так, как им это нужно, когда им это нужно
