Будущее энергетики: микросети и устойчивость к климату

Специальный представитель Генерального секретаря ООН по вопросам снижения риска бедствий и глава Управления ООН по снижению риска бедствий (UNDRR) Камаль Кишоре отмечает, что при покупке квартиры люди обращают внимание на качество плитки, сантехники и бытовой техники, но мало кто интересуется, соответствует ли здание современным нормам сейсмобезопасности.

Он подчеркивает, что люди часто упускают из виду важнейшие факторы устойчивости при планировании инфраструктуры, в то время как изменение климата приводит к учащению и усилению стихийных бедствий, и последствия такого упущения становятся все более серьезными.

Недавние выводы Глобального доклада UNDRR об оценке риска бедствий указывают на резкий рост частоты и серьезности стихийных бедствий, связанных с климатом, за последние два десятилетия. В период с 2000 по 2021 год 83% крупных отключений электроэнергии в США были вызваны экстремальными погодными явлениями, а в глобальном масштабе экономические потери от стихийных бедствий в период с 2010 по 2019 год достигли 2,97 триллиона долларов.

Более того, количество перебоев в подаче электроэнергии, связанных с экстремальными погодными условиями, увеличилось на 78% в период с 2011 по 2021 год, что подчеркивает острую необходимость в создании устойчивой инфраструктуры.

Кишоре подчеркивает, что экстремальные погодные явления, которые раньше случались раз в столетие, теперь происходят каждые 20 лет, и во время многих крупных стихийных бедствий, таких как циклоны и землетрясения, 40% ущерба инфраструктуре приходится на энергетический сектор. Поскольку нынешняя электросеть не рассчитана на то, чтобы выдерживать возрастающую частоту и интенсивность экстремальных погодных явлений, необходимо разработать правдоподобные наихудшие сценарии и соответствующим образом планировать готовность. Он добавляет, что инвестиции в инфраструктуру должны включать средства на ее обслуживание, иначе в будущем возникнут проблемы.

В случае экстремальных явлений, таких как циклоны или землетрясения, поддержание электроснабжения имеет решающее значение для реагирования на чрезвычайные ситуации и восстановительных работ. По словам Саида Маншади, доцента кафедры электротехники и вычислительной техники Инженерного колледжа Университета штата Сан-Диего, возобновляемые источники энергии и микросети уже играют решающую роль в обеспечении энергоснабжения во время стихийных бедствий.

Он сообщает, что, учитывая доступность возобновляемых источников энергии на местном уровне, можно установить локальные аккумуляторы и солнечные батареи в качестве распределенных энергоресурсов для питания микросетей, которые станут строительными блоками для будущей интеллектуальной сети. В сценариях стихийных бедствий, когда распределительные и передающие линии часто выходят из строя, микросети обеспечивают самодостаточность и самовосстановление локальной сети.

По сравнению с традиционными централизованными сетями, микросети нового поколения особенно эффективны в регионах, подверженных стихийным бедствиям. Маншади объясняет, что микросети позволяют локально снабжать критически важные объекты в условиях отключения электроэнергии. Если они самодостаточны, то есть имеют достаточный запас аккумуляторов и возобновляемых источников энергии, они могут поддерживать основные услуги. В районах, подверженных ураганам, лесным пожарам и наводнениям, микросети могут предотвратить катастрофические отключения электроэнергии и позволить сообществам функционировать автономно до тех пор, пока не будет восстановлена основная сеть. Он приводит пример ситуации, когда человек находится в очень жаркой зоне, затопленной с перебоями в работе Wi-Fi, или пострадавшей от урагана, и основная сеть выходит из строя. Микросети обеспечивают локализованный контроль, позволяя продолжать работу основных объектов инфраструктуры, таких как больницы и пункты временного размещения.

Однако для того, чтобы в полной мере использовать потенциал зеленых микросетей в качестве полезных инструментов обеспечения устойчивости к стихийным бедствиям, необходимо преодолеть ряд технических препятствий. Основная проблема заключается в том, что существующая система энергоснабжения, основанная на переменном токе (AC), существует уже столетие, в то время как для максимизации выхода и предотвращения потерь энергии и денег, микросети на основе возобновляемых источников энергии должны работать на постоянном токе (DC).

Одним из наиболее многообещающих достижений в области устойчивых энергетических решений является разработка гибридных микросетей, которые объединяют возобновляемые источники энергии с передовыми технологиями управления электропитанием. Эдуардо Гарсия-Мартинес, технический директор Tigon, европейского проекта, направленного на повышение надежности и устойчивости децентрализованных энергосистем на основе возобновляемых источников энергии, объясняет, что в случае возникновения проблем с внешней сетью переменного тока, микросеть может работать автономно, отключив соединение переменного тока. Благодаря интегрированному хранению энергии в батареях и производству возобновляемой энергии, она обеспечивает непрерывность поставок даже в случае отключения электроэнергии.

Ключевым прорывом этого проекта является внедрение уровня напряжения постоянного тока 3000 вольт.

Гарсия-Мартинес подчеркивает, что большинство микросетей постоянного тока сегодня работают от 700 до 1500 В. Проект увеличивает напряжение до 3000 В, что позволяет передавать больше энергии при меньшем токе, повышая эффективность и снижая затраты на материалы и потребность в большом количестве медной проводки.

Еще одним решением, разработанным в рамках этого финансируемого ЕС проекта, является интеграция твердотельных трансформаторов (SST), которые облегчают плавное преобразование энергии. Гарсия объясняет, что SST позволяют более эффективно интегрировать генерацию постоянного тока и нагрузки постоянного тока, избегая ненужных преобразований AC-DC-AC, которые приводят к потерям энергии.

Этот подход повышает эффективность и устойчивость сети за счет минимизации потерь энергии и стабилизации децентрализованных сетей, что является важным шагом в смягчении последствий сбоев в подаче электроэнергии, вызванных стихийными бедствиями. Гарсия отмечает, что основная веха по генерации 3000 В уже достигнута. Теперь необходимо интегрировать фотоэлектрическую генерацию, батареи и соединения с другими микросетями постоянного тока, чтобы доказать целесообразность. В случае успеха это может проложить путь к широкому внедрению гибридных микросетей, полезных для предотвращения климатических катастроф.

Камаль Кишоре, который наблюдает и решает проблемы, связанные с катастрофическими событиями по всему миру в течение 30 лет, добавляет, что микросеть отлично подходит с точки зрения модульности и, следовательно, меньшего количества соединений. Эта модульность является источником устойчивости, поэтому инвестиции в микросети, по сути, являются инвестициями в локальную устойчивость. Маншади соглашается, отмечая, что микросети могут снабжать свое собственное сообщество в пределах границ и обеспечивать критически важные объекты в условиях отключения электроэнергии, особенно если они самодостаточны.

Преимущества микросетей выходят за рамки устойчивости. Как отмечает Кишоре, они также способствуют доступности энергии: «Зеленая» энергия, вырабатываемая микросетями, снижает затраты. Хотя технические проблемы, такие как емкость хранилищ, остаются, в течение жизненного цикла энергетической инфраструктуры инвестиции в возобновляемые источники энергии и децентрализованные сети имеют смысл. Это очень привлекательное предложение, особенно в контексте возобновляемых источников энергии, когда энергия производится и потребляется на местном уровне.

Несмотря на многообещающие перспективы микросетей, сохраняются серьезные политические и финансовые препятствия.

Маншади подчеркивает необходимость расширения политики поддержки распределенных энергоресурсов. Коммунальные службы уже перегружены обязательствами по снижению риска бедствий и декарбонизации. Политикам необходимо предоставить сторонним организациям возможность принимать участие в расширении решений в области распределенной энергетики. Камаль Кишоре вторит этому мнению, подчеркивая необходимость долгосрочных инвестиций в обеспечение устойчивости: необходимо повышать осведомленность общественности не только для эффективного реагирования на стихийные бедствия, но и для предотвращения возникновения рисков в первую очередь.