От накопителей энергии до малых АЭС: студенты предложили решения для развития энергосистемы России

Системы накопления электроэнергии, водородные технологии, малая атомная генерация и интеллектуальное управление спросом - такие подходы предложили будущие энергетики для развития российской энергосистемы до 2042 года. Проекты были разработаны участниками направления «Электроэнергетика» XIV сезона Международного инженерного чемпионата CASE-IN, который проводится при поддержке президентской платформы «Россия - страна возможностей».

Кейс для студентов подготовил генеральный партнер чемпионата - АО «Системный оператор Единой энергетической системы». Участники должны были актуализировать Генеральную схему размещения объектов электроэнергетики до 2042 года с учетом прогнозируемого роста потребления, необходимости замещения выбывающих генерирующих мощностей и внедрения новых технологий. Согласно перспективным прогнозам, потребление электроэнергии в России к 2042 году может увеличиться на 25% и составить более чем 1400 млрд кВт∙ч. При этом предложенная структура генерирующих мощностей электростанций энергосистемы России должна обеспечивать высокоманевренный резерв активной мощности в объеме не менее чем 10%. Командам требовалось не только выбрать технологии генерации и накопления энергии, но и оценить их влияние на надежность энергоснабжения и экономическую эффективность.

«Системный оператор на протяжении уже 12 лет является организатором направления «Электроэнергетика» и стратегическим партнером чемпионата. Мы работаем со студентами на многих площадках, но CASE-IN - это та площадка, где мы взаимодействуем именно в рамках решения задач, практического взаимодействия с наиболее мотивированной, инициативной частью молодежи, которая уже буквально завтра придет в электроэнергетическую отрасль», - отметил член Правления АО «Системный оператор Единой энергетической системы» Андрей Катаев.

Электрозаправочные станции как инструмент балансировки сети

Лучшим эксперты признали проект команды «6901» Национального исследовательского Томского политехнического университета. Студенты ТПУ сосредоточились на развитии энергосистемы Новосибирской области и предложили объединить электрозаправочную инфраструктуру с системами накопления электроэнергии: использовать зарядные станции для обслуживания электромобилей, а также как распределенные узлы управления нагрузкой. В часы минимальной нагрузки в энергосистеме накопители могут работать в режиме нагрузки и заряжаться, а во время пиков – работать в режиме генерации, выдавать активную мощность и участвовать в обеспечении баланса активной мощности энергосистемы.

В проекте студентов ТПУ предусмотрено применение литий-железо-фосфатных накопителей емкостью не менее 90 кВт∙ч на одного потребителя с номинальным напряжением 10 кВ. По расчетам команды, это позволит переносить часть нагрузки на ночное время и обеспечивать третичный резерв мощности.

Авторы подробно проработали и экономическую модель решения. Расчетный дисконтированный срок окупаемости составил до 5 лет. К 2040 году чистый дисконтированный доход одного узла может достигнуть 82,5 млн рублей, а индекс доходности - 3,0.

Таким образом, предложенная модель при внедрении позволит одновременно решать несколько задач: выравнивать график нагрузки, обеспечивать резерв мощности, развивать инфраструктуру для электротранспорта и снижать потребность в расширении сетей.

Водород для долгосрочного хранения энергии

Второе место заняла команда «Roma-Aeterna» Пермского национального исследовательского политехнического университета. Ее участники сделали ставку на хранение энергии с помощью жидких органических носителей водорода.

Технология позволяет использовать избыточную электроэнергию для получения и хранения водорода, а затем возвращать накопленную энергию в энергосистему в периоды повышенного спроса. В отличие от накопителей, рассчитанных преимущественно на краткосрочное регулирование нагрузки, водородные технологии могут применяться для более продолжительного хранения значительных объемов энергии.

По расчетам авторов из ПНИПУ, реализация проекта способна обеспечить сокращение выбросов углекислого газа на 22%. При этом команда учла высокую капиталоемкость решения: объем первоначальных инвестиций оценен в 994,5 млн рублей, а срок окупаемости - в 11,5 года.

Несмотря на длительный инвестиционный цикл, проект показывает возможности водородной энергетики как одного из инструментов декарбонизации промышленности и интеграции низкоуглеродных технологий в энергосистему.

Малая атомная генерация для энергодефицитных регионов

Бронзовым призером стала команда «Энерговектор» Северо-Кавказского федерального университета. Студенты предложили использовать малые модульные атомные реакторы для покрытия дефицита электроэнергии на юге России.

Проект предусматривает организацию серийного производства компактных атомных энергоблоков, которое, по расчетам команды, позволит к 2042 году ввести в регионе около 1600 МВт новой мощности и обеспечить растущий спрос на электроэнергию со стороны населения и промышленных предприятий.

Общий объем инвестиций авторы из ПНИПУ оценили в 4 трлн рублей. Это сделало проект самым масштабным из представленных финалистами с точки зрения предполагаемых капитальных затрат.

«Кейс оказался очень интересным для нас как для студентов. Рассматривать новые технологии очень интересно и важно для будущего развития в профессиональной сфере. Больше всего в данном кейсе хотелось бы выделить необходимость глубокого анализа энергосистемы, что, безусловно, может очень сильно помочь в будущем для решения разного рода задач», - прокомментировал участник команды Ярослав Лиц.

От модернизации ТЭЦ до цифрового проектирования ЛЭП

Решения финалистов не ограничивались проектами трех команд-призеров. Участники предложили различные варианты развития генерации, накопления электроэнергии и управления спросом - от модернизации действующих электростанций до применения цифровых инструментов при проектировании сетевой инфраструктуры.

«Экспертная комиссия присудила победу команде «6901» за высокую актуальность, реализуемость, технологическую новизну и четкое соответствие инженерного решения заданию по управлению активной мощностью в региональной энергосистеме», - отметил аналитик чемпионата CASE-IN, доцент кафедры Автоматизированных электрических систем Уральского федерального университета Александр Егоров. - Вместе с тем, очень интересные и перспективные технические подходы, заслуживающие внимания, представили и другие команды».

Так, «Электробат» (Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.) сознательно отказался от ветрогенерации в пользу взаимодействия парогазовой генерации с нефтегазовым сектором и использования попутного газа. Студенты предложили модернизировать ТЭЦ за счет внедрения парогазовых установок, повысив коэффициент полезного действия с 38 до 65%, и дополнить их системами улавливания, использования и хранения углерода.

Команда VECTOR (Санкт-Петербургский горный университет) сделала акцент на управлении спросом с помощью центров обработки данных. Перенос вычислительных задач на периоды низкого потребления и использование источников бесперебойного питания дата-центров в качестве накопителей, по расчетам студентов, позволяет сократить операционные затраты до 40%.

Команда «Короткозамкнутые» (Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова) представила наиболее капиталоемкий проект, включающий реконструкцию Новочеркасской ГРЭС и создание крупной системы накопления электроэнергии.

«Спарк» (Самарский государственный технический университет) сосредоточился на цифровых инструментах и разработал MVP «Ассистент-инспектор» для автоматизации выявления типовых замечаний при проектировании и оптимизации трасс линий электропередачи.

Команда «Сотни Ампер» (Иркутский национальный исследовательский технический университет) предложила заменить дорогостоящую дизельную генерацию в изолированных районах малыми атомными станциями мощностью 5-10 МВт, а также построить газовую тепловую электростанцию в районе Ковыктинского месторождения».

Проекты участников чемпионата показывают, что развитие электроэнергетики связано с сочетанием разных решений: накопителей электроэнергии, распределенной и малой генерации, модернизации действующих электростанций и интеллектуального управления нагрузкой. Чемпионат CASE-IN стал площадкой, на которой будущие специалисты смогли применить эти подходы к реальной отраслевой задаче.