Текст: Юлия ГИЛЕВА
Три пути к успеху
В интервью «Атомному эксперту» Е. Осоченко раскрыл подробности предложений ВЭИ.

Фото: Flickr.com, TASS
Расскажите, пожалуйста, подробнее, в чем суть предложений ВЭИ по модернизации электросетевого хозяйства.

Отвечая на геополитические вызовы, руководство страны обозначило направления инновационного развития, трансформируемые к задачам электротехники следующим образом.

Прежде всего это накопители энергии, по которым до сих пор внутри страны не выпущено программных документов, хотя во всех развитых странах таковые существуют с 2013 года. Системы накопления энергии большого класса (тераджоулевого, гигаджоулевого) позволяют устранить ахиллесову пяту системы передачи и распределения энергии, заключающуюся в одномоментности потребления и генерации: сколько потребляется, столько и производится.

При этом есть пики нагрузки утром и вечером. А ночью, когда спрос падает, большая часть генерирующих мощностей вынуждена уходить в понижение за счет так называемых маневровых мощностей. Накопители позволяют делать запасы в часовом, суточном эквиваленте, способствуя оптимальной загрузке генерирующих мощностей, повышая КИУМ и КПИТ. Появляется и принципиально новое свойство — рассинхронизация генерации и потребления по времени, а система накопления становится вторичным генератором.

В мировой практике вторичные генераторы приобретают все большее распространение. В основном это фермовые сборки из элементов заводской готовности (например, литий-ионных аккумуляторов). Примени`м и иной подход к накоплению электроэнергии — создание фабрики-накопителя, при котором в одном технологическом процессе совмещаются два: аккумулирование и генерация электроэнергии. Понятие «фабрика» к накопителям в мировой практике не применялось. Это наше ноу-хау в терминологии.

То есть это такая аккумулирующая станция, только не «гидро»?

Да, здесь другие физические принципы. В мире существуют накопители на основе порядка 15 физических принципов.

Направление накопителей энергии обозначено в Стратегии развития электроэнергетического комплекса до 2035 года, выпущенной Минэнерго. Но, к сожалению, программного документа (дорожной карты) с конкретным перечнем организаций, которые отвечают за разработку и выпуск накопителей, пока в России нет. Существуют фрагментарные решения: литий-ионные, кинетические, гравитационные и суперконденсаторные накопители.


Если рынком востребовано это, если рынок этого ждет, то зачем на государственном уровне назначать ответственных?

Накопители, которые способен потреблять существующий рынок, — от килоджоулевого до тераджоулевого класса мощности. Создание накопителей с большей энергетикой требует серьезных капиталовложений.

Повторюсь, за рубежом это государственные проекты. Анализ мировой практики показывает, что срок окупаемости подобных решений, как правило, более семи лет. А некоторые решения не окупаются даже при ставке дисконтирования 3–4%.
Китайский проект

Китайская национальная электросетевая компания State Grid объявила о начале строительства самой длинной в мире сверхвысоковольтной линии электропередачи постоянного тока (HVDC) напряжением плюс-минус 1100 киловольт.

Данная ЛЭП соединит Синьцзян-Уйгурский автономный район на Северо-Западе Китая и провинцию Аньхой в Восточном Китае.

Суммарная длина ЛЭП составит 3324 км (!). Трасса линии электропередачи будет начинаться в городе Санджи (Синьцзян), далее она пройдет через провинцию Ганьсу, Нинся-Хуэйский автономный район, провинции Шэньси и Хэнань и завершится в городе Сюаньчэн (провинция Аньхой).

Строительство ЛЭП обойдется стране в 40,7 млрд юаней ($6,2 млрд). По плану HVDC, ЛЭП будет сдана в эксплуатацию уже в 2018 году.

Цели данного проекта — поставка электроэнергии от тепловых, ветровых и солнечных электростанций Синьцзяна в другие районы страны, а также повышение надежности электроснабжения Восточного Китая.

Соответственно, нужна госпрограмма?

Решения подобного масштаба всегда реализовывались государством либо с его помощью.


Какие еще направления?

Второе — это передача мощности на большие расстояния постоянным током, дальние (HDVC) и сверхдальние (UHDVC) линии электропередачи. Наша страна была пионером в этих технологиях. Мы опережали весь мир лет на 20 еще во времена Советского Союза.

Начало было положено в 1940-х годах, когда из Германии в СССР по контрибуции была вывезена линия связи постоянного тока Эльба — Берлин. Ее установили в Советском Союзе, это была линия Кашира — Москва, проложенная до самого Кремля.

К сожалению, в связи с перестройкой и распадом страны остался незаконченным грандиозный проект по передаче электроэнергии постоянным током плюс-минус 800 кВ «Экибастуз — Центр». Был спроектирован и изготовлен полный комплект оборудования, построены испытательные стенды мирового уровня. К сожалению, наукоемкие элементы этого грандиозного энергомоста не сохранились до наших дней.

Между тем китайские товарищи в период с 1995 по 2005 год активно забирали компетенции у Российской Федерации, в том числе конкретно в ВЭИ. Привлекали специалистов, изучали документацию и реализовали проекты дальних перетоков на плюс-минус 800 и 1100 кВ с использованием оборудования собственного производства, а также глобальных электротехнических компаний ABB и Siemens.

До 2019 года планируется ввести на территории КНР 14 линий UHVDC. Китайские энергетики реализуют подобные проекты сегодня также в Индии и Бразилии.


В чем преимущество линий постоянного тока? Меньше потери?

Существенно меньше. Во-первых, передача мощности ультравысоким напряжением снижает омические потери. Во-вторых, постоянный ток исключает потери на переизлучение и снижает потери на нагрев проводников.

В итоге линии постоянного тока по потерям как минимум на 30–40 % эффективнее линий переменного тока того же класса напряжения и способны пропускать мощность до 80 % больше в сопоставлении с ЛЭП переменного тока. Экономический эффект достигается на воздушных линиях при расстояниях от 300–700 км, на кабельных — от 30–50 км.

Линии постоянного тока незаменимы при преодолении водных преград. В этом легко убедиться, взглянув на карту линий постоянного тока Европы (см. Рис. 2).

Следует отметить большую надежность линий ПТ. При нарушении целостности одной из цепей электроэнергия, пусть и с половинной мощностью, продолжает поступать к потребителю. Обрыв проводника линий переменного тока приводит к аварийному отключению.

Есть, правда, нюансы, связанные со стоимостью внедрения. В России засилье импортных силовых полупроводников производства Японии, Германии и США. По цене внедрения подстанция постоянного тока становится примерно раза в три дороже, чем аналогичная на переменном токе. Стоимость внедрения в Китае уже сопоставима по постоянному и переменному току, что связано с более дешевыми базовыми компонентами, преимущественно произведенными в КНР.

Компетенции по силовым полупроводникам в нашей стране сохранились. Есть специалисты, обладающие знаниями в этой сфере, есть производства. Но без господдержки развитие направления силовых полупроводников практически невозможно, несмотря на растущий спрос.


Но ведь существуют Россети. Это же их, по идее, задача — обновлять сетевое хозяйство?

Безусловно, и задачу обновления они решают. Россети — это ФСК и МРСК. Они занимаются федеральными перетоками — это так называемые магистральные и дальние линии электропередачи класса напряжения от 220 кВ и выше. Обновление инфраструктуры ФСК финансируется государством.

Программа реновации энергетического комплекса на 10 лет оценивается в сумму порядка 11 трлн руб. При этом ФСК за 2010–2014 годы переоснастилась в основном импортным оборудованием. Сегодня у компании нет резонансных проблем с отключениями, потерей устойчивости работы оборудования, если рассматривать вопрос в консервативной логике «генератор — потребитель». Тем более что ФСК — мировой лидер с точки зрения эффективности передачи электроэнергии на большие расстояния: потери (по данным ПАО «Россети») составляют 4,5 %. Это мировой рекорд. Все перечисленные факторы не позволяют надеяться на появление стимула к внедрению передовых технологий.

В распределительных сетях от 110 кВ и ниже существуют серьезные проблемы, связанные с размытостью такого понятия, как «хозяин». Какими-то сетями управляет МРСК, часть объектов — за территориальными организациями, часть — в распоряжении у частников.

Сетевая инфраструктура в России сформирована во многом эволюционно, как и дороги. Линии электропередачи росли вслед за ростом потребления. В итоге длина распределительных сетей зачастую превышает эффективную (стандарт для 0,4 кВ — 800 метров) и измеряется километрами. Разумеется, потери колоссально растут. Зачастую отсутствует резервирование, что снижает надежность. Ограничивающий фактор — невозможность осуществления двухсторонних перетоков, что существенно ограничивает внедрение локальной, в том числе возобновляемой, энергетики.
С сетями понятно, но все же — при чем тут ВЭИ? Какой может быть функция института в программе обновления сетевого хозяйства?

ВЭИ исторически был отраслевым институтом, который формировал стратегию развития электротехнической отрасли, занимался стандартизацией.

Наш институт по-прежнему представлен в Международной электротехнической комиссии, которая существует с 1921 года и формирует все мировые стандарты в области электротехники и электроэнергетики. Те компетенции, которые сохранились и которые можно собрать, позволят решить задачу обновления энергосистемы страны на новом технологическом уровне.

Даже по официальным данным износ распредсетей в России составляет более 60 %, и точка невозврата уже пройдена. Об этом многократно говорили и руководство холдинга МРСК, и представители ВЭИ.
Вы всерьез взялись за тему ЕЭС России…

Система в этой отрасли сложилась достаточно консервативно. Задача действующих игроков — произвести электроэнергию, передать ее из точки А в точку Б без сбоев, без нарушений и по тарифу, согласованному с государством.

Действует эффект ножниц. С одной стороны, ограничения импорта и удорожание импортной продукции из-за курсовой разницы. Для закупки оборудования за рубежом (даже просто с целью ремонта), скорее всего, понадобятся дотации и политические договоренности. Это мощный стимул развивать внутреннее производство. С другой стороны, электротехническая отрасль России с 1992 года перестала существовать как комплекс. Некие осколки ее сохранились, к счастью. Но это не сравнимо с тем, что было в СССР.

Вместе с тем государство определило приоритеты. Надо развивать локальную энергетику, новые виды генерации, надо обеспечивать потребителя более дешевой энергией. В стране высокий отпускной тариф, особенно для малого и среднего бизнеса. Средневзвешенный — порядка 3,5 руб. за киловатт, а реальный, по мнению аналитиков, доходит до 5–6 руб. за киловатт. Стоимость электроэнергии в существенной степени формирует себестоимость продукции.

Тенденции таковы, что потребитель постепенно становится активным: совмещает функции потребителя и генератора (prosumer). Без новых технологий энергосистема эту его роль не воспримет. Допустим, потребитель считает для себя экономически целесообразным поставить фотовольтаику, или ветряк, или гидроаккумулирующую станцию и потреблять столько, сколько ему нужно, а избытки отдавать в сеть. Это всеобщий тренд в мировой энергетике. Но в России сети ему этого не позволят.

Нужно создавать условия для прямых и обратных перетоков. Это укрепит безопасность системы. Даже Германия с ее хорошо реновированной системой сетевого хозяйства столкнулась с проблемой безопасности, когда в стране был введен большой парк ветрогенерации и солнечных источников энергии. Система рассинхронизировалась, потеряла устойчивость. Были колоссальные проблемы, которые решались огромными дотациями. В сетях постоянного тока прямые и обратные перетоки — это нормальная вещь.


Какие еще преимущества есть у сетей постоянного тока?


Такие системы, например, позволяют осуществить быстрое и малозатратное технологическое присоединение. А это — одно из узких мест для тех же Россетей. Технологическое присоединение занимает порядка 42 % в структуре общего инвестиционного портфеля компании при возвратности менее 23 %.

Еще один важный эффект связан с перетоками на длинные расстояния. Наша страна так и не замкнула энергосистему. Энергосистема Востока существует независимо от общей ЕЭС России. Ограничены перетоки между Уралом и Сибирью. В итоге генерация загружена не оптимально, а энергопотенциал страны не используется в полном объеме.

Дальние линии элекропередачи на постоянном токе позволят изменить подход и к структуре бизнеса Росатома. Госкорпорация продает за рубеж атомные станции, и каждый проект связан с серьезными согласующими процедурами, с гармонизацией стандартов в странах присутствия, с изменением законодательства. Перетоки большой мощности с минимальными потерями и с использованием накопителей энергии позволят размещать АЭС внутри страны и торговать электроэнергией за рубежом.

Причем не в формате продажи по текущей потребности, а в формате поставок до некоего хаба, большого накопителя или фабрики-накопителя, где электроэнергия аккумулируется на определенный срок (сутки, неделю или больше) и потом уже распределяется в соответствии с потребностями. По такой логистике сегодня работает рынок углеводородов. Газ летом закачивают в подземные хранилища, а зимой используют.

Суммируя все вышесказанное, в любом случае деньги вкладывать нужно, необходима реновация. Весь вопрос — в поиске оптимального синергетического решения, которое позволит избавить распределительные сети от проблем. Даже простая пересборка инфраструктуры будет выгодна всем: и потребителям, и региональным властям, и малым и средним предпринимателям, которые смогут участвовать в изготовлении оборудования, в выстраивании системы, и территориальным сбытовым и сетевым организациям.


На диаграмме образно представлены сетевые связи энергосистемы Европы.
* C.C.S. — carbon capture & storage (углерода улавливание и хранение)
Что насчет третьего направления? «Цифровое электричество»? Звучит экзотично…

Существующая система энергоснабжения централизована, электроэнергия поступает к потребителю через систему трансформаторных подстанций. При этом сложно определить, где и сколько этой электроэнергии теряется.

Технологические потери в сетях для больших классов напряжения — порядка 5 %, а в распредсетях даже официальные данные начинаются от 8 %. Реальные технологические потери больше. Причем не только у нас такие проблемы. В энергосистеме Японии в распредсетях официальные потери больше 20 %, например.

Не менее значимый фактор — необоснованный отбор мощности, который приводит, в числе прочего, к тому, что МРСК и территориальные сбыты вынуждены закупать потери мощности. Эта величина превосходит 10 %, а в иных регионах превышает 40 %. Что я имею в виду? Дядя Вася подошел с двумя проводами и подключился к распределительному устройству или накинул провода на низковольтную распредсеть и произвел необоснованный отбор мощности. А как быть конечному потребителю? Особенно если это потребитель первой категории, отключать его ни в коем случае нельзя (это либо особый объект, либо больница, либо пожарная станция). И отключить неплательщика затруднительно.

Мы уже говорили об одномоментности потребления и генерации. Оплата потребленной энергии происходит по выставлении счета — в лучшем случае через месяц после потребления. Теперь представьте, какие объемы потерь возникают только на трансферах. Если объем потребления в ЕЭС России за год — 1 трлн кВт∙ч при средневзвешенной стоимости 3,5 руб., получается 3,6 трлн руб. — более 4 % ВВП. И как минимум на месяц из оборота выпадает порядка 300 млрд руб.

Цифровое электричество позволяет вести учет по факту потребления, в режиме реального времени фиксировать, кто конкретно потребляет и сколько, формировать оплату или кредит за потребленную энергию. Каждый потребитель будет адресный, учтенный, даже по отдельным приборам: сколько потребляет чайник, сколько — электродвигатель.


За счет чего?

За счет другой структуры сигнала. Он дискретный, так же как в Еthernet, передается пачка импульсов, только это не информация, а энергия, снабженная информационной составляющей.


Что для этого нужно? Новые подстанции, другая инфраструктура? Провода придется перекладывать?

Провода могут остаться теми же. В Японии сейчас проводятся исследования на обычной проводке. Инфраструктуру существенно менять не обязательно. По одному проводу можно пропускать огромное количество параллельных сигналов, которые идут к разным потребителям.

Плюс ко всему, эта энергия — адресная, то есть известно, кому энергетический роутер отправил ее по запросу. Если происходит резкое изменение условий потребления (короткое замыкание либо отключение), то система автоматом прекращает отправку соответствующих пакетов электроэнергии.
Проект «Эльба»

Первый в истории проект строительства линии передачи постоянного тока высокого напряжения, основанный на применении ртутных ламп. Сначала были введены экспериментальные линии (1933‒1942 годы).

В 1943 году началось сооружение биполярной линии постоянного тока между электростанцией на Эльбе и Берлином. Линия должна была передавать до 60 МВт при биполярном симметричном напряжении 200 кВ. Использовались два одножильных подземных кабеля.

Система не была введена в строй. А после войны ее демонтировали и использовали для создания в 1951 году монофазной линии на 200 кВ между Москвой и Каширой (могла передавать до 20 МВт).

Это пока на уровне идей или где-то уже есть опыт использования?

Уже есть патенты в США. Там это называется «безопасное электричество». И демонстрационные стенды уже созданы.


Как далеко им до внедрения?

В США уже есть отдельные примеры коммерческого применения для Power over Ethernet. Но они пока все слаботочные. Берут ethernet-кабель и пропускают по нему 100 Вт мощности. Обещают вскоре уже 200 Вт пропускать. В Японии активно ведутся работы в научных вузах и отработка на уровне пилотов.


А у нас это сейчас на каком уровне?

Увы, ни на каком.


То есть надо заниматься разработкой?

Для нас это шанс стать лидерами, причем не только в России, но и в мире. Потому что направление только-только начинает развиваться. А эффекты, которые на базе «цифрового электричества» могут быть достигнуты, просто колоссальны.

В перспективе эта технология может изменить многие сферы. Вплоть до того, что люди, живущие в соседних домах, смогут поставлять друг другу электроэнергию и проводить взаиморасчеты. Все это в копилку цифровой экономике.


Что нужно, чтобы начать работу? Деньги на НИР и ОКР?

Деньги нужны минимальные. Все компоненты технологии есть, их нужно только пересобрать. Мы пока практически «на коленке» ведем и патентные исследования, и исследования в части демонстрационного образца.


А что же нужно?

Сначала надо донести все идеи по новым технологиям в электротехнике в программных документах до руководства госкорпорации «Росатом», а затем и до заинтересованных ведомств.

Мы уже работаем над такими материалами. Тем более что у Росатома есть определенные задачи, связанные с вектором роста. Убежден, что электротехника может стать одним из мощных локомотивов для атомной промышленности.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА