Автономные солнечные станции — соскочить с сетевой иглы

Энергетика находится в числе определяющих секторов мировой экономики, которые обеспечивают необходимые условия для жизнедеятельности человека. Потребление энергоресурсов увеличивается год от года, что негативно влияет на состояние биосферы Земли, которая формировалась на протяжении нескольких миллиардов лет.

Мировое сообщество ищет способы замедлить негативные изменения, происходящие в биосфере, не ставя под угрозу собственную экономику, промышленность и безопасность. Чтобы решить эту проблему, классическую электроэнергетику, основанную на ископаемом топливе, трансформируют и диверсифицируют, увеличивая количество возобновляемых источников энергии.

В частности, последние годы очень стремительно развивались фотоэлектрические технологии. В 2018 году Международное энергетическое агентство (МЭА) опубликовало исследование мирового потребления энергии, где прогнозировалось, что к 2050 году установки с солнечными панелями будут обеспечивать около 45% всей потребности в электричестве.

Развитие технологий привело к снижению стоимости солнечных панелей и росту спроса на солнечные электростанции для собственных нужд. Так, например, производственные предприятия увеличивают рентабельность продукции путем установки на своей территории солнечных электростанций для генерации фотоэлектрической энергии и питания ею производственного оборудования, осветительных приборов и т.д.

Что означает собственное потребление солнечной энергии?

Собственное потребление фотоэлектрической энергии — это потребление электроэнергии непосредственно от самого источника, фотоэлектрической системы, без участия координирующих организаций. Такое потребление осуществляется либо сразу, либо через период времени с промежуточным хранением.

К такому формату энергопотребления человечество планирует перейти к 2050 году, заменив традиционную энергетику возобновляемой. Сейчас все произведенное традиционными электростанциями (атомными, тепловыми и т.д.), электричество доставляется потребителям через сложную сеть электрических подстанций, трансформаторов и линий электропередач, что сопровождается в том числе и потерями при передаче. Тогда как собственное потребление позволит избежать потери электроэнергии при её транспортировке от источника к потребителю.

Благодаря технологическому прорыву, затраты на производство фотоэлектрической энергии снижаются (рис.1) и производство электричества от СЭС становится коммерчески привлекательным для бизнеса. Особенно учитывая тот факт, что эксперты прогнозируют неизбежный рост стоимости электричества, произведённого традиционными электростанциями. Это неминуемо, так как старое оборудование электростанций требует замены, а поддержание в работоспособном состоянии изношенных элементов стоит дорого.

Рис. 1. а) — Прогноз нормированной стоимости электроэнергии (LCOE) от различных солнечных технологий в местах с высоким солнечным облучением; б) — Прогноз нормированной стоимости электроэнергии (LCOE ) от возобновляемых источников энергии и традиционных электростанций в Германии. Источник: Levelized cost of electricity renewable energy technologies study, Fraunhofer Institut.
Рис. 1. а) — Прогноз нормированной стоимости электроэнергии (LCOE) от различных солнечных технологий в местах с высоким солнечным облучением; б) — Прогноз нормированной стоимости электроэнергии (LCOE ) от возобновляемых источников энергии и традиционных электростанций в Германии. Источник: Levelized cost of electricity renewable energy technologies study, Fraunhofer Institut.

Режимы и особенности энергопотребления

Существует несколько режимов энергопотребления при генерации электричества локальной энергоустановкой (табл.1).

Таблица 1. Режимы работы фотоэлектрической системы под собственное энергопотребление
Режимы энергопотребления Описание
Автономные системы Генерируемая электроэнергия сохраняется в аккумуляторных батареях для последующего потребления, что исключает потребление электричества из внешней сети.
Мгновенное потребление Вырабатываемое электричество сразу потребляется, максимально покрывая потребности в энергии. В течение солнечных часов потребление энергии от внешней сети минимальное.
Собственное потребление и хранение Количество генерируемой электроэнергии превышает потребности, излишки сохраняются в системах накопления энергии, для последующего потребления.
Собственное потребление с продажей излишков во внешнюю сеть Генерируется больше энергии, чем требуется для удовлетворения собственных нужд, излишки продаются во внешнюю сеть.
Рис. 2. Стратегия управления фотоэлектрической системой для максимального потребления.
Рис. 2. Стратегия управления фотоэлектрической системой для максимального потребления.

Перед строительством солнечной электростанции необходимо выбрать какой режим потребления для владельца будет приоритетным, проанализировать особенности установки солнечных панелей и определить уровень собственного потребления электроэнергии на объекте. В зависимости от этих показателей подбирается соответствующая мощность фотоэлектрической системы.

Размещение (наземное, крышное, трекеры и т.д.)

Солнечные электростанции можно размещать на земле или на любой другой поверхности со свободным доступом солнечного света. Например, крыши производственных цехов, школ, садиков, торговых центров, больниц и т.д. Также, возможно размещение на подвижных трекерах, для более эффективного «улавливания» солнечного излучения.

Ориентация фотоэлектрической системы является важным фактором, влияющим не только на количество вырабатываемой электроэнергии, но и её распределение в течение дня. Например, ориентация солнечной электростанции на запад перенесет пиковое время генерации на конец дня, а ориентация на восток — на раннее утро. Если бизнес испытывает наибольший спрос на энергию в вечерние часы, то простая ориентация фотоэлектрической установки на запад может увеличить уровень собственного потребления примерно на 7%. Однако ориентация солнечных панелей на запад только лишь по этой причине может оказаться неэффективной, поскольку в такой ситуации абсолютное снижение выработки составит около 15% и будет более ощутимо чем рост уровня собственного потребления.

Рис. 3. Зависимость среднесуточной инсоляция от угла наклона солнечных панелей (в Канаде). Источник: Optimum Tilt Angle and Orientation of Photovoltaic Thermal System for Application in Greater Toronto Area, mdpi.com.
Рис. 3. Зависимость среднесуточной инсоляция от угла наклона солнечных панелей (в Канаде). Источник: Optimum Tilt Angle and Orientation of Photovoltaic Thermal System for Application in Greater Toronto Area, mdpi.com.

Не только ориентация солнечных панелей относительно сторон света влияет на величину удельного выхода энергии, но также условия инсоляции (ветер, облака, утренний туман и т. д.) Эти условия довольно изменчивы и оказывают значительное влияние на уровень собственного потребления, вплоть до нескольких процентов.

Особенности проектирования

Фотоэлектрическая система должна быть спроектирована так, чтобы наилучшим образом соответствовать уровню энергопотребления компании. В дополнение к экономии затрат на энергию, собственное потребление может также устранить необходимость в дополнительных линиях электропередач до точки подключения к внешней сети, кроме того, устраняется фактор потерь в энергосистеме.

На рисунке 4 показан среднесуточный режим нагрузки коммерческого предприятия с годовым потреблением электроэнергии около 1 ГВт*ч и выработкой электроэнергии от собственной фотоэлектрической системы мощностью 300 кВт в пасмурный летний день. Собственное потребление за день (зеленая зона) равно пересечению генерации (синяя зона) и потребления (серая зона).

Рис. 4. Среднесуточный режим нагрузки коммерческого предприятия с годовым потреблением электроэнергии около 1 ГВт*ч и собственной выработкой мощностью 300 кВт в пасмурный летний день.
Рис. 4. Среднесуточный режим нагрузки коммерческого предприятия с годовым потреблением электроэнергии около 1 ГВт*ч и собственной выработкой мощностью 300 кВт в пасмурный летний день.

Наиболее экономичный вариант проектирования предполагает сопоставление мощности электростанции с базовой нагрузкой компании, чтобы в итоге потреблялось как можно больше собственной электроэнергии. Важнейшим показателем здесь является уровень потребления, а точнее его среднегодовое значение, которое учитывает сезонные колебания потребления и выработки.

Экономическая эффективность

Собственное потребление солнечной энергии является привлекательным предложением для коммерческих потребителей. Министерство экономического развития и торговли (МЕРТ) прогнозирует неизбежный рост стоимости электроэнергии для небытовых потребителей на 15% в 2020 году и на 12,5% в 2021 году. В такой ситуации бизнес стремится улучшить энергоменеджмент своих предприятий и использовать энергоэффективные технологии.

Рис. 5. Пути устранения причин низкой энергоэффективности в основных системах энергоснабжения предприятия. Источник: Improve energy management to reduce your facility’s carbon footprint, CC LAB.
Рис. 5. Пути устранения причин низкой энергоэффективности в основных системах энергоснабжения предприятия. Источник: Improve energy management to reduce your facility’s carbon footprint, CC LAB.

Установка собственной солнечной электростанции позволит предприятию заместить электроэнергию из внешней сети и существенно снизить расходы на электричество. В случае недостаточной инсоляции, например, в зимний период, недостаток электричества будет добираться из внешней сети или из систем накопления энергии (energy storage system).

Фотоэлектрические системы под собственное потребление выгодны еще и тем, что из длинного списка разрешительной документации необходимо только согласование с ГАСК. В итоге на реализацию проекта СЭС требуется 1-2 месяца, а экономия начинается с первой минуты запуска станции.

Будет ли потребление солнечной энергии выгоднее, чем покупка электроэнергии из внешней сети почти полностью зависит от её стоимости: если стоимость электричества превышает стоимость солнечной генерации, то установка солнечной электростанции становится финансово привлекательным вариантом.

Востребованность в различных отраслях (производство, фермеры и т.д.)

Солнечная энергия широко применяется во многих отраслях экономики, что способствует повышению их энергетической стабильности и экономической эффективности:

  • промышленность;
  • телекоммуникации;
  • сельское хозяйство;
  • торговля;
  • строительство и т.д.

Солнечные электростанции для собственных нужд приобретают заметную популярность в промышленности. Например, компания CUMMINS в Китае на крыше своего завода установила солнечную электростанцию суммарной мощностью 3600 кВт. Это помогло сократить не только затраты предприятия на электроэнергию, но и уменьшить выбросы CO2 на 13%. В нашей стране некоторые сети автозаправочных станций устанавливают не только фотоэлектрические системы, но и гелиосистемы для нагрева воды. Такой подход говорит об амбициозных планах владельцев данных компаний в вопросах повышения энергоэффективности и снижения зависимости от внешних коммуникаций.

Фото 2. Солнечная электростанция для собственного потребления на крыше Пекинского моторного завода компании Beijing Foton Cummins Engine Company Ltd.
Фото 2. Солнечная электростанция для собственного потребления на крыше Пекинского моторного завода компании Beijing Foton Cummins Engine Company Ltd.

Что касается агропромышленного комплекса, фермеры используют фотоэлектрическую энергию для полива и перекачки воды, обогрева и снабжения электричеством теплиц, для автоматической дойки коров и охлаждения молока, а также в других производственных циклах.

Последние несколько лет мировой спрос на солнечные электростанции ежегодно увеличивается почти в три раза. Во многом это обусловлено снижением стоимости фотоэлектрических технологий и популяризацией рынка возобновляемых источников энергии.

Определяющим фактором для собственного потребления является прежде всего соотношение между номинальной мощностью фотоэлектрической системы и потребностью в энергии. Во многих случаях самоокупаемость является привлекательным вариантом, особенно в связи с тем, что в среднесрочной перспективе ожидается рост цен на электроэнергию. Это приведет к увеличению финансового стимула для установки фотоэлектрических систем и, соответственно, к снижению нагрузки на энергосистему.

Компания АВЕНСТОН реализовала множество проектов солнечных электростанций. Мы специализируемся на проектировании, строительстве, сервисном обслуживании и поставках высококлассного оборудования и т.д. Если у вас есть вопросы или сомнения, напишите нам! С радостью проконсультируем и выполним предварительные расчеты!