Экологичность электроэнергетики

 

Автор

Большаков Олег, эксперт

 

    В течение последних десятилетий стало модным исследовать и прогнозировать развитие различных областей человеческой деятельности, в том числе электроэнергетики, под призмой законов «чистой» экономики. На этом пути были достигнуты значительные успехи. Сейчас приходит понимание, что учет только сугубо экономических аспектов вне их взаимосвязи с иными закономерностями вызывает кризисы.
    В данном контексте попробуем выявить объективные тенденции в электроэнергетике, основываясь на естественнонаучных и рыночных принципах.
    Всем нам хорошо известно понятие экологичности производства или продукта. Каждое предприятие, как и человек, что-то потребляет и выбрасывает отходы. Некоторые отходы утилизируются легко, другие для переработки требуют сложных и дорогостоящих технологий. Традиционно к экологическим проблемам относится количество мешающих нам жить отходов и их вредоносность.
    Обратимся к электроэнергетике и попробуем взглянуть на производство, транспортировку и использование электроэнергии с точки зрения образования отходов, то есть потерь. В электроэнергетике, как и в любой отрасли, есть экологически чистые отходы, а есть вредоносные. От вида потерь зависит их влияние на окружающую среду, а также на процессы генерации, передачи и потребления. Будем считать вредными потерями (или отходами) те, что препятствуют деятельности других субъектов, например, изменяя режим работы электросети в точке присоединения. Экологически чистые потери не оказывают влияния на функционирование системы.
    Вспомним несколько истин, на которых базируются современные технологии и взаимоотношения в электроэнергетике. Электростанции генерируют ток переменного напряжения в форме, близкой к синусоидальной. Нагрузка должна быть активной и линейной. Вначале все было именно так. Основной объем мощности потребляли нагреватели, лампы накаливания и электродвигатели с реактивной, но линейной нагрузкой. Нелинейные устройства не определяли режим работы сети.
    Для бесперебойного функционирования цепочки «генерация — передача — потребление» нужно постоянно поддерживать баланс производимой и используемой мощности. Эти величины неравномерны в течение суток. Ночная и пиковая мощности различаются в несколько раз. При регулировании уровня мощности одни электростанции всегда работают в базовом режиме, другие, технологически приспособленные, «подхватывают» возрастающую нагрузку в часы пик. Статистически усредненные суточные графики позволяют прогнозировать потребление и поддерживать баланс. Отметим, что значительные изменения нагрузки происходят в интервалах от десятков минут до часов и поддаются регулированию с помощью управления мощностью. Все наши генераторы, сети, регулирующее и измерительное оборудование рассчитаны на электроэнергию частотой 50 Гц и активную нагрузку. Эта модель подкреплена законодательной базой и понятна каждому связанному с электроэнергетикой человеку.
    Теперь посмотрим, какие отступления от идеала приводят к увеличению потерь в упомянутом цикле «генерация — передача — потребление электроэнергии», и что это за потери.
    Естественные потери в линиях и трансформаторах неизбежно сопутствуют процессу электропередачи — это то, что называется «усушкой и утруской при транспортировке». Как известно, общепринятый расчетный период в высоковольтной сети — один час. Между тем потери зависят от потребленной энергии нелинейно, и по среднему объему израсходованной электроэнергии невозможно вычислить размер потерь. На несоответствии мгновенных и средних величин основаны некоторые противоречия, вызывающие затруднения при составлении электробалансов. Рассмотрим несколько примеров.
    Потери имеют место при реверсивных перетоках электроэнергии в сетях высокого напряжения. Если полчаса энергия течет в одном направлении, а следующие полчаса в противоположном, то за час никакой ее транспортировки выполнено не будет, реальные же технологические потери появятся. Причем потери могут существенно превышать максимально допустимые значения, определяемые как доля транспортированной энергии. Для понимания процессов, происходящих в сети, и получения баланса в этом случае придется анализировать переток в более коротких временных интервалах. Так, мы увидим переток электроэнергии в одном направлении и связанные с ним потери, затем переток в другом направлении и соответствующие потери. По типу это обычные технологические потери, поддающиеся учету и расчетам, если бы переток шел все время в одном направлении.
    Решением проблемы контроля реверсивных перетоков и сопутствующих потерь может стать установка счетчиков, фиксирующих объем энергии не только на границах расчетных периодов, но и в моменты, когда ее распространение изменяет свое направление: счетчик определит не только итоговое количество переданной электроэнергии, но и динамику процесса транспортировки, а следовательно, его показания способны служить подтверждением реально понесенных потерь. К сожалению, именно обоснование технологических потерь до сих пор вызывает затруднения при расчетах за электроэнергию.
    Подобные условия возникают и при реактивной нагрузке, когда переток в каждом периоде напряжения происходит с реверсированием направления распространения энергии. Потери (отходы) в этом случае более опасны, потому что при наличии реактивности в сети возникает резонанс, а работа автоматики и средств защиты дестабилизируется. Для уменьшения реактивности сети или электропринимающего оборудования требуется установка компенсирующих устройств.
    Реактивная нагрузка встречается на практике часто и достаточно хорошо изучена. Выпускаются счетчики, измеряющие активную и реактивную составляющие энергии, что позволяет выявить причину повышенных потерь. Однако анализ с учетом реактивной мощности проводится редко.
    С развитием новых средств регулирования нагрузки ситуация изменилась радикально. Появилось мощное потребляющее оборудование с встроенными электронными регуляторами, которые подключают и отключают нагрузку один раз в каждые полпериода (так называемый широтно-импульсный метод, или ШИМ-регулирование). Кроме того, почти вся новейшая бытовая техника использует нелинейный (или импульсный) ток — это телевизоры, компьютеры и даже предписанные к исключительному применению в России люминесцентные энергосберегающие лампы. Устройства, подключающие нагрузку на часть каждого периода, стали заметно влиять на режим работы сети. По данным зарубежных экспертов, доля мощности, потребляемой таким оборудованием в развитых странах, уже сейчас превышает десятки процентов.
    В генерации современные системы регулирования мощности с успехом справляются с суточным графиком выработки, но они не в состоянии отслеживать и компенсировать мгновенное изменение нагрузки. Энергоблоки продолжают производить электроэнергию синусоидальной (или очень близкой к ней) формы частотой 50 Гц, и такая электроэнергия поступает потребителю. У нелинейного и импульсного оборудования электронные ключи пропускают часть синусоиды, а остальная остается невостребованной. «Лишняя» мощность в виде гармонических сигналов возвращается в сеть, где частично поглощается силовыми устройствами, вызывая их нагрев, и частично поступает другим потребителям как некондиционная электроэнергия. Картина не новая, но как решать проблему таких «отходов»?
    Эти процессы можно проиллюстрировать следующей аналогией: возьмем бревно и распилим его на круги, допустим, по 5 мм толщиной, при этом наша пила также имеет толщину 5 мм. Разумеется, половина погонной длины бревна уйдет в стружку. Вопрос: какое количество древесины мы использовали — только нужные нам кругляки или все бревно?
    Между тем, согласно действующим сейчас в электроэнергетике регламентам, принято считать, что в объеме потребления учитывать необходимо только кругляки, поскольку половина бревна возвращена нами как невостребованная. А то обстоятельство, что нашей стружкой засыпаются чужие бревна, осложняя их использование, и за все это мы не платим — видимо, не имеет значения.
    Мощность, потребляемая оборудованием с импульсным характером нагрузки, представляет собой спектр высокочастотных гармонических сигналов. Оставшийся в сети объем мощности также существует в виде высокочастотных гармоник. Счетчик, установленный у нелинейного или импульсного потребителя, честно вычитает потоки электро­энергии: входящий полный объем частотой 50 Гц и исходящие в сеть (или недополученные из сети) гармоники высших частот. По существующим правилам потребитель, имеющий оборудование с нелинейной нагрузкой, оплачивает только использованную им часть синусоидальной энергии. Но при этом не учитывается, что гармониками он осложняет работу питающей сети и других потребителей, счетчики которых покажут сумму энергии основной частоты и ненужных гармоник.
    При действующих регламентах учета и расчетов за электроэнергию в выигрыше оказываются те, кто потребляет ее некорректно, в проигрыше — все остальные субъекты рынка, приобретающие продукт низкого качества. Но максимально проигрывают сетевые организации. Они получают от электростанций хорошую электроэнергию и поставляют часть ее нелинейному потребителю. Остальное (опилки) либо вынужденно передается другим абонентам, либо поглощается сетью и списывается на потери. На языке торговли это называется пересортицей. Но за пересор­тицу и плата должна быть соответствующей!
    В случае если импульсная мощность потребления значительно превосходит среднюю, то генерация и сети должны обеспечивать мгновенную импульсную мощность, а не среднюю. Значит, при присоединении таких потребителей проектирование необходимо осуществлять с учетом импульсной нагрузки.
    Кроме того, импульсы разных потребителей распределятся во времени отнюдь не равномерно. Одинаковые принципы регулирования синхронизируют каждый импульс с переходом напряжения через ноль у всех таких потребителей. Их импульсы накладываются друг на друга, и временнoго распределения нагрузки на сеть не происходит.
    В настоящее время число импульсных потребителей и доля расходуемой ими энергии растет, изменяя режим работы электросети. Противоречие между тем, что подают в сеть генераторы, и тем, что использует среднестатистический субъект рынка, пока укладывается в рамки учета сетевых потерь, но в перспективе проблема обострится.
    Данная тема касается множества аспектов: измерения объема электропотребления, проектирования генераторов и сетей, обеспечения надежного электроснабжения с учетом импульсной нагрузки, введения дифференцированной оплаты электроэнергии при разном типе нагрузки, корректировки законодательной базы и т. д. Ключевым же становится вопрос определения характеристик электроэнергии как товара. В частности, это любое напряжение в сети или только синусоидальной формы частотой 50 Гц?
    Назрела настоятельная необходимость установить максимально точно: что является товаром в электроэнергетике, а что — «отходами», загрязняющими электрические сети.
    Поднятая проблема затрагивает интересы многих участников процесса генерации, транспортировки и потребления электроэнергии, и можно откладывать и затягивать ее решение, но объективная суть происходящего от этого не изменится. Несоответствия и сложности будут нарастать, если мы не осознаем их и не научимся ими управлять.