Предизвикателствата пред електропреносната система диктувани от целите на зеления преход

Статия на проф. д-р инж. Валентин Колев – декан на Електротехническия факултет на Технически университет – София и гл. ас. д-р инж. Ива Драганова – Златева за сп. „Енергетика – електроенергийни ракурси“

В изпълнение на целите за преминаване към нисковъглеродна, сигурна и конкурентоспособна икономика в края на 2018 г. Европейският парламент прие нови цели за използване на възобновяеми източници на енергия и енергийна ефективност. До 2030 г. енергийната ефективност на Европейския съюз (ЕС) трябва да се подобри поне до 32,5%, докато делът на енергията от възобновяеми източници трябва да е най-малко 32% от крайното енергийно потребление на ЕС.

Възобновяеми енергийни източници са водната енергия, вятърната енергия, слънчевата фотоволтаична енергия, слънчевата топлинна енергия, геотермалната енергия, твърдите биогорива, дървените въглища, биогазовете, сметищните възобновяеми отпадъци, течните биогорива и топлината от околната среда. За изпълнението на целите и управлението на Енергийния съюз държавите членки на ЕС разработват 10-годишен план за „интеграция на националната енергия и климат“ с национални цели, принос, политики и мерки. В проекта за „Интегриран план в областта на енергетиката и климата на Република България“ за периода до 2030 г. [1] са определени политиките и мерките за производството и потреблението на енергия от възобновяеми източници и са заложени следните цели: делът на възобновяемата енергия в брутното крайно потребление на енергия да достигне 16% през 2021 г., а към 2030 г. - 25%.

През последните години се наблюдава значителен ръст на възобновяемата енергия в България. Първичното производство на възобновяема енергия през 2017 г. е 1 938 хил. тона нефтен еквивалент (т.н.е.), като количеството се е увеличило общо с 90,1%, или 1,9 пъти спрямо 2007 година. Това представлява средно увеличение със 7,1% на година. Производството на първична енергия от възобновяеми източници в страната изпреварва общия темп на растеж в ЕС-28. През 2017 г. държавите членки са увеличили производството с 65,6% спрямо 2007 г., или средногодишно с 5,2%.

Основна стратегическа цел за развитие на енергийния сектор е надеждно осигуряване на чиста и достъпна енергия за всички потребители. Това може да се постигне чрез:

• Гарантиране на енергийната сигурност в страната и региона и утвърждаване на ролята на България като енергиен стожер;
• Устойчиво използване на местните енергийни ресурси;
• Постигане на общоевропейските цели за декарбонизация;
• Повишаване на енергийната ефективност;
• Осигуряване на справедлив преход на засегнатите райони.

Устойчивата трансформация към нисковъглеродна енергетика изисква дългосрочна стратегия, предвидимост и етапност без да бъде изложена на риск системната адекватност на електроенергийната система (ЕЕС) на страната.

Гарантирането на адекватността и сигурността на ЕЕС на България, както и балансирането и регулирането в условията на Зелената сделка трябва да се осигури с надеждни нискоемисионни технологии, които притежават разполагаемост за обезпечаване на потреблението на електрическа енергия и гъвкавост за балансиране. Заедно с навлизането на електромобилността и развитието на технологиите за производство на водород ще възникне необходимост от увеличаване дела на генериращи мощности с висока разполагаемост.

Необходимо е да се има предвид, че ЕЕС на България не би могла да разчита на базова електроенергия от региона, а трябва да търси решение на енергийната и националната си сигурност единствено на национално ниво. Към настоящия момент в ЕЕС на страната е наличен енергиен микс от генериращи източници, в които сигурността и устойчивостта се осигуряват предимно от синхронните генератори от системно значение в конвенционалните електроцентрали.

Термичните блокове, описани в Реформа 10 на План за възстановяване и устойчивост, са с обща инсталирана брутна мощност 4 874 MW, от които 3 648 MW са базова генерираща мощност, а 2 686 MW с възможност за регулиране в денонощен разрез, използват се като базови или подвърхови мощности, както и за реализация на следните особено важни и задължителни задачи:

- За първично регулиране на честотата и обменните мощности в рамките на синхронната зона „Континентална Европа“ на ENTSO-E;

-  За участие във вторичното регулиране на честотата и обменните мощности на ЕЕС на България;

-  За поддържане на нивата на напрежение в основните възли на ЕЕС;

-  За поддържане на запаса по устойчивост на ЕЕС;

-  За поддържане на общия запас по инерция на ЕЕС;

-  За участие в защитния план и плана за възстановяване на ЕЕС след тежки аварии.

Поради конструктивни и технологични особености на този етап на развитието на науката и технологиите ВяЕЦ, ФЕЦ, ТФЕЦ, малки ВЕЦ, БиоЕЦ и заводски ТЕЦ не могат да осигуряват резерв за първично регулиране на честотата, както и да участват в денонощното централизирано регулиране на напреженията в основните възли на ЕЕС. Също така тези енергийни източници не могат да участват във формирането на електроенергийни коридори от стартови централи, като затрудняват стабилността на островните режими, което означава, че ЕЕС ще загуби способността си за възстановяване чрез собствени генериращи източници. За разлика от термичните електроцентрали ВЕИ дават нестабилно производство на електрическа енергия, пропорционално на променливия първичен енергоносител или производство на електроенергия в принуден режим.

С цел да се запази енергийната независимост на България и ролята й на нетен износител на електрическа енергия и балансьор за региона Министерството на енергетиката разработи сценарий за електроенергийно развитие за периода 2023 – 2053 г. при следните допускания:

Анализът на допусканията в горната таблица дават основание да се счита, че е налице приоритет на нисковъглеродни и ВЕИ мощности, хидро и ядрена енергия до 2050 г. за поддържане на сигурността на доставките, като същевременно постепенно се извеждат инсталациите на лигнитни въглища през периода 2030 – 2038 г. Това, разбира се, ще зависи от пазарните нива на цената на СО2, която се очаква да достигне 100 €/tСО2 до 2030 г. и 250 €/tСО2 до 2050 г. Процесът на повишаване на цената на емисиите естествено довежда до намаляване на производството на електроенергия от въглищни централи с около 60% до 2030 г., което е еквивалентно на близо 55% намаление на емисиите за България спрямо 1990 г.

Крайното търсене на електроенергия в България се очаква да достигне около 61 TWh до 2050 г., като представлява удвояване на това от 2020 г.  Увеличеното търсене на електроенергия се дължи главно на електрификацията на транспорта (електромобили) и производството на зелен водород чрез електролиза.

Динамиката на инсталираните мощности и производство в периода до 2053 г. ще се развива по следния начин:

- Въглищните централи постепенно ще бъдат заместени в периода 2030 – 2035 г. с комбинация от ВЕИ, ВЕЦ и АЕЦ;

- Инсталираните мощности се увеличават с повече от 20 000 MW до 2050 спрямо сега.

Това увеличение се дължи на ръста на ВЕИ – 16 000 MW, ВЕЦ ПАВЕЦ – повече от 2 000 MW; АЕЦ – 4 000 MW.

Както стана ясно, по-горе се предвижда развитие на електропреносната мрежа (19 000 км), което включва изграждане на електропроводни линии 400 и 110 kV. В плана за развитие на електропреносната мрежа е отбелязано, че развитието на мрежа 220 kV е със затихващи функции. Това развитие на електропреносната мрежа е свързано с изграждането на около 20 000 MW нови ВЕИ.

Необходимо е да се отбележи, че използваемостта на ВЕИ е по-малко от 25%, като за ФЕЦ, тя е даже под 20%. Това означава, че в по-голямата част от времето новоизградените електропроводи ще бъдат ненатоварени. Това предполага генериране на големи количества реактивна капацитивна енергия и свързаното с това повишение на напреженията във възловите точки на ЕЕС. Поради това е необходимо да се направи следното:

- Напречно компенсиране на електропреносната мрежа с реактори;

- Използване на високотемпературни проводници след извършен подробен технико-икономически анализ.

Присъединяването на възобновяеми източници на електрическа енергия, използвайки вятъра и слънцето като първична енергия, поставя нови предизвикателства пред електрическите мрежи на преносните и разпределителните предприятия. Едно от тях е необходимостта от пренасяне на потоци с голяма мощност с относително малка часова използваемост в годишен разрез (под 2000 часа), а това определя и ниска часова използваемост на новоизградените мрежи. Това налага прилагането на технико-икономически подход при вземането на решение за увеличаване на преносната способност на електропреносните и разпределителните линии. В последните години именно поради тези причини бяха разработени различни варианти на високотемпературни нископровесни неизолирани проводници. В доклада се разглеждат различни конструкции на такъв тип проводници, като е направено сравнение между тях.

Въвеждането в експлоатация на нови генериращи мощности от възобновяеми източници поражда нови предизвикателства към операторите на преносната и електроразпределителните мрежи. Особено тежък е проблемът с пренасянето на големи мощности, генерирани от вятърни електрически централи и особено от фотоволтаични електрически централи. При този тип генериращи мощности флуктуацията на генерираната мощност варира от 0 до номиналната стойност за кратко време. В същото време часовата използваемост на инсталираната мощност за ВяЕЦ е около 2000 часа, а за ФЕЦ е около 1200 часа.

Това налага въвеждането на нови изисквания към преносната система, а именно: възможност за претоварване – в много случаи до 2 пъти и повече. Увеличаването на преносната способност на електрическата мрежа 110 kV може да стане или чрез увеличаване на сечението на неизолираните проводници, което води до подмяна на съществуващите стълбове или чрез монтиране на такива със същото сечение и тегло, но с по-голямо допустимо токово натоварване. Такива са така наречените високотемпературни нископровесни проводници ВТНПП (high temperature low sag conductors - HTLS Conductors), които ще бъдат разгледани по-долу.

- ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced) – стандартен широко разпространен проводник;

- ACSR/AW (Aluminium Conductor with aluminum clad steel core) – проводима част, изпълнена от алуминий, а носещата част – от специална стомана с алуминиево покритие;

- ACSR/TW (Aluminium Conductor with trapezoidal shaped aluminium conducting strands) – проводимата част на този тип високотемпературен проводник е изпълнена от трапецовидни елементарни проводници.

Идеята за създаването на високотемпературни проводници се базира на увеличението на максимално допустимия ток чрез конструкция, която позволява по-висока токова плътност, съответно по-високи температури, като задължително се запазва провесът на проводника в междустълбието поради ниския коефициент на линейно разширение на материала. Различните типове високотемпературни нископровесни проводници (ВТНПП) се различават по конструкция и използвани материали. Конструкцията на тези проводници в повечето случаи се състои от две части – проводима и носеща. Проводимата част се изпълнява или от отвърнат алуминий или от алуминиева сплав, осигуряваща температурната устойчивост на материала. Носещата част се изпълнява от стоманена сплав или композитен материал, осигуряващ необходимата якост и ниско линейно разширение. Напоследък се предлага един по-нов тип (AAAC), при който всички елементарни жила са изработени от алуминиева сплав, която изпълнява и двете функции. Този тип проводници още се наричат хомогенни, а всички останали нехомогенни. Ще си позволим да систематизираме различните конструкции високотемпературни нископровесни проводници (ВТНПП) в три основни групи в зависимост от носещото жило:

- сплав с основа стомана;

- специална стомана;

- композитни.

Композитните материали (или композит) са материали, които се състоят основно от твърд армиращ пълнител (арматура) - стъклени или органични влакна (по-рядко метални нишки), и полимерни свързващи (матрица) - епоксидни, полиестерни и други смолни състави. Чрез избор на типа и количеството арматура и матрица може в широки граници да се променят различните свойства на композита – якост, топлопроводност, херметичност, относително тегло, химическа устойчивост и други. Композитите имат за основа керамика или въглерод.

Неизолираните проводници, изпълнени с носещо жило от композитен материал, имат следните характерни особености: високи якост на опън, модул на еластичност, виброустойчивост, корозионна и киселинна устойчивост и ниски коефициент на линейно разширение, тегло и плътност. Поради високите механични показатели на композитното жило е възможно носещата част на проводника да бъде с по-малко сечение. Това дава възможност на конструкторите да изпълнят проводимата част на проводника с по-голямо сечение от всички останали разгледани конструкции – 30%. От своя страна това води до значително по-ниско електрическо съпротивление, по-ниски електрически загуби и свързаните с това емисии на въглероден диоксид.

Изводи

Енергийната система на България може да се декарбонизира чрез продължаващо развитие на възобновяеми енергийни източници, съчетани с нови гъвкави нисковъглеродни мощности. Декарбонизацията на българската енергийна система води до увеличаване на инвестиционните разходи за производствени мощности, както и на мрежовите разходи за пренос и разпределение.

През следващите десетилетия предстоят съществени промени в структурата на енергийния и мощностния микс, които водят до необходимост от развитие на електроразпределителната и електропреносна мрежа на България. Това от своя страна води до възникване на нови предизвикателства и формиране на концепции за управлението и контрола в тях.

Крайната цел е България да има стратегия, която гарантира запазване на енергийната и национална сигурност на страната, устойчиво използване на местните ресурси и осигуряване на условия за производство, търговия и съхранение на електроенергия.

____________________________________________________________________________________________

Библиография

[1] Януари 2019 г.; https://www.me.government.bg/files/useruploads/files/.pdf.

[2] Стратегическа визия за развитие на електроенергийния сектор в Република България 2023 – 2053 г.

[3] Отчет по дог. № 12НО-819А001/02.07.2012 г. с НЕК ЕАД „Технико-икономическо изследване на възможностите за прилагане на проводници с повишена преносна способност в електропреносната мрежа на България"

[4] Колев В., И. Драганова-Златева, Развитието на допълнителните услуги като инструмент за балансиране на ЕЕС и фунциите на бавното третично регулиране през годините досега Сп. Енергетика 2020, бр. 7.