Проекты

Инновация накопителей: как сделать энергосистему более гибкой, дешёвой и экологичной?

Работа призёров конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Энергия будущего. Цифровая энергетика» среди работ учащихся 7−9 классов

Направление работы: Энергетика
Авторы работы: ГБОУ Школа № 548
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 9 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

В современном мире актуальны проблемы экологии. Тепловые электростанции (ТЭС) составляют 68% всех электростанций. Они выбрасывают огромное количество углекислого газа в атмосферу. Активно развивающиеся солнечные и ветряные электростанции являются источниками зелёной электроэнергии, однако их мощность невозможно контролировать, поскольку она зависит от природных условий.

Авторы проекта предлагают решение данной проблемы за счёт создания системы накопителей электроэнергии, поглощающей излишки и выдающей требуемую энергию. Это позволит увеличить долю экологичных электростанций, а также снизить тариф на электроэнергию для потребителей.

Цель

Создать систему накопителей электроэнергии, способную запасать её излишки, образующиеся из-за разности выработки и потребления электроэнергии, и отдавать их в пиковые часы.

Задачи

1. Изучить существующие в России способы получения электроэнергии.

2. Изучить потребление и выработку электроэнергии в регионах России.

3. Изучить способы накопления электроэнергии.

4. Выбрать оптимальный регион и способ накопления электроэнергии.

5. Произвести технико-экономический расчёт системы.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

· Персональный компьютер

Описание

Изучив основные способы получения электроэнергии в России, авторы пришли к выводу, что использование в проектируемой системе накопителей электроэнергии будет эффективно только в том случае, если электростанция не контролирует вырабатываемую электроэнергию или её выработка непостоянна. К таковым относятся атомные электростанции (АЭС), солнечные электростанции (СЭС), ветряные электростанции (ВЭС) и термальные электростанции.

В проекте авторы решили не использовать атомные и термальные электростанции, отдав предпочтение солнечным и ветряным, по следующим причинам. АЭС в связке с ТЭС обладает небольшой способностью маневрировать (т.е. быстро откликаться на требование энергосистемы изменить свою мощность) и манёвренность выработки электроэнергии для покрывания разности достаточно велика. Термальных электростанций в России построено всего три, поэтому их учёт в энергосистеме любого региона крайне мал.

Следующий этап работы включал в себя изучение регионов с точки зрения использования СЭС и ВЭС, а также потенциала региона для их строительства. В исследовании учитывалась мощность как существующих, так и планируемых для строительства в будущем электростанций. Потенциал региона оценивался с учётом его климатических особенностей.

Согласно собранным данным наилучшим климатом для СЭС является субтропический, а для ВЭС – умеренный и субтропический климаты. По наличию мощностей СЭС и ВЭС наиболее подходящие регионы – Краснодарский край и Республика Крым. Однако с учётом планируемых для строительства в будущем электростанций и благоприятных климатических условий Республика Крым имела больший потенциал, поэтому для исследования был взят именно этот регион.

Далее авторы рассмотрели способы накопления электроэнергии и подобрали накопители энергии для проектируемой системы по региону. В зависимости от графика нагрузки накопители были классифицированы на мгновенные, дневные и сезонные.

Для мгновенных нагрузок были выбраны маховики, так как они могут обеспечить довольно высокий КПД на требуемый интервал времени. Для дневных нагрузок выбраны гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), аккумуляторы или сжатый воздух, для сезонных нагрузок была выбрана ГАЭС.

На следующем этапе проекта была продумана схема построения системы накопителей электроэнергии, а также проведён технико-экономический расчёт данной системы.

В ходе расчёта определялись КПД накопления электроэнергии, стоимость создания накопителей и объём получаемой электроэнергии.

Сначала авторами был определён КПД запасания электроэнергии ГАЭС. Поскольку в ГАЭС есть всего 2 элемента, работающих с электроэнергией, турбины и насосы, КПД запасания электроэнергии ГАЭС равен произведению КПД турбин и насосов.

По результатам мини-исследования зависимости цены от мощности была определена средняя стоимость турбин и насосов за кВт/ч. С учётом стоимости водоёмов и плотины, а также затрат на эксплуатацию ГАЭС, была выведена формула расчёта цены постройки ГАЭС в зависимости от мощности и времени её работы. После были определены КПД маховика и, исходя из рыночных цен, его средняя стоимость за кВт·ч.

Далее, определив параметры накопителей энергии в системе, авторы провели расчёт потенциально запасаемой накопителями электроэнергии в регионе Крым.

Рассматривались среднедневная и годовая выработки электроэнергии как по отдельности каждым видом электростанций, так и суммарно, учитывая разность потребления. На последнем этапе работы авторы рассчитали окупаемость проекта, а также построили математическую модель разработанной энергосистемы для проверки расчётов.

Результаты работы/выводы

Для внедрения спроектированной системы авторами выбрана Республика Крым. Она обладает самым большим количеством неконтролируемых источников электроэнергии, таких как СЭС и ВЭС.

Согласно полученным в ходе работы данным оптимальным будет создание системы, включающей в себя ГАЭС, состоящие из 5 электростанций с расчётной мощностью 20 МВт и временем работы 10 часов, а также маховики суммарной мощностью 20 МВт. Такая система будет собирать до 1000 МВт/ч электроэнергии каждый день и передавать их в систему. Такая система экономит порядка 60 миллионов рублей в месяц. Стоимость же проекта составляет 8 миллиардов рублей и, как следствие, окупаться будет за 10,5 лет.

Перспективы использования результатов работы

Использование разработанной системы в энергосистеме конкретного региона России с целью удешевления тарифа на электроэнергию, а также увеличения доли экологичных электростанций.