Технологии электроэнергетики: Применение ИТ-технологий в различных отраслях деятельности

Содержание

Новые технологии в энергетике позволяют сэкономить бюджет семьи и страны |

Об этом Лидии Лукиных рассказал Сурен Гюрджинян, руководитель проекта по повышению энергоэффективности в странах Евразийского экономического союза. В рамках этой программы разрабатываются и внедряются современные технологии, которые позволяют повысить энегоэффективность осветительных приборов, бытовой техники и инженерного оборудования.

ЛЛ: Мы сегодня будет говорить о проекте по повышению энергоэффективности в странах Евразийского экономического союза. Если можно, пожалуйста, расскажите, что это за проект.

СГ: Как Вы уже указали, проект имеет региональную направленность и покрывает страны Евразийского экономического союза, в частности, Армению, Беларусь, Казахстан и Киргизию. Проект финансируется со стороны Российского трастового фонда – это такая совместная инициатива правительства Российской Федерации, в лице Министерства иностранных дел, и Программы развития ООН. Программа развития ООН, в частности страновые офисы по Армении и Киргизии являются имплементационными партнерами этого проекта. То есть реализация этого проекта осуществляется посредством Программы развития ООН в офисах данных стран. Общая цель проекта – это поддержка деятельности стран ЕврАзЭС в области продвижения энергоэффективности. Проект осуществляется по трем основным направлениям: это разработка современных стандартов и регулирование энергоэффективности, это поддержка в создании и развитии испытательных мощностей в странах ЕврАзЭС, это независимый контроль качества энергопотребляющих приборов, а также организация мероприятий по повышению осведомленности населения и других основных групп по продвижению энергоэффективности.

ЛЛ: В рамках проекта внедряются современные требования энергоэффективности в освещении, бытовой технике и инженерном оборудовании. Какие это требования? Может быть, есть примеры конкретные, чтобы нам немножко пояснить?

СГ: Проект содействует во внедрении требований как на уровне ЕврАзЭС, то есть это в рамках, к примеру, тех регламентов по энергоэффективности приборов, в рамках внедрения системы энергомаркировки, так и на национальном уровне, притом эти требования могут быть как для общего рынка, для всего рынка, так и для отдельных сегментов данного рынка, например, для госзакупок. Теперь в чем заключаются эти требования? К примеру, приведу требования для средств освещения, для лампочек – это может быть минимальное количество света, которое должна давать лампочка на 1 Вт электрической мощности. Внедрение данных требований позволит по некоторым направлениям, например, по тем же осветительным приборам снизить энергопотребление до 50%, по остальным группам оборудование – на 10-15%, что довольно-таки значимый показатель.

ЛЛ: Для многих жителей домов энергосбережение это в том числе и возможность снизить коммунальные платежи. Не будет ли переход на новые технологии более затратным для пользователей?

СГ: Всегда энергоэффективное оборудование всегда дороже, чем менее энергоэффективное. Но если смотреть с точки зрения затрат на эксплуатацию такого оборудования, в частности на электроэнергия, то по некоторым видам оборудования мы приходим к очень быстрой окупаемости, то есть к очень хорошим экономическим показателям перехода на более энергоэффективное оборудование. К примеру, светодиодные лампочки стоят на сегодня стоят раза в четыре дороже, но по различным странам ЕврАзЭС срок окупаемости составляет до года. Срок службы энергоэффективных лампочек – до 5 лет. То есть в течение одного года происходит окупаемость инвестиций, и еще порядка четырех лет идет чистая экономия.

Мы стараемся внедрение этих требований проводить в том числе и через экономический анализ – насколько эти требования не приведут к удорожанию стоимости владения данным прибором…

ЛЛ: Какой потенциал экономии энергии Вы видите при переходе на энергоэффективные приборы для страны в целом?

СГ: Потенциал, при внедрении в полном объеме требований нашего проекта, — примерно 20-25 процентов, или суммарно около 10 миллиардов кВт/ч сэкономленной электроэнергии. Для примера хочу сказать, что это эквивалент готового энергопотребления города с миллионным населением.

ЛЛ: Могли бы Вы привести примеры конкретных успехов или достижений, которыми можно поделиться.

СГ: Вся концепция проекта ставится на передаче, в том числе и в первую очередь, российского опыта, накопленного в сфере энергоэффективности и энергосбережения. Прежде всего разработанные стандарты по энергоэффективности освещения, это практика реализации пилотных проектов в бюджетной сфере – проекты по энергоэффективным школам и уличному освещению, привлечение, в том числе, и частных инвестиций в рамках так называемых энергосервисных компаний.

Обширный опыт у России в создании испытательных лабораторий, в том числе с поддержкой Программы развития ООН. И конечно, нельзя забывать об опыте РФ по работе с населением по популяризации энергоэффективных технологий.

ЛЛ: Если бы у Вас сегодня была огромная аудитория слушателей и зрителей, которым нужно было бы донести это послание о важности энергосберегающих технологий, что конкретно можно было бы им сказать?

СГ: Я бы прежде всего попросил их при покупке обязательно обратить внимание на показатели энергоэффективности. То есть, спрашивать об этом в магазине у консультантов, при покупке того или иного оборудования обязательно сравнивать показатели энергоэффективности, экономии энергии. Сегодня получила распространение так называемая система энергомаркировки. Это значит, что показатели энергоэффективности представлены в удобном для потенциального потребителя виде. Например, все, наверное, замечали наклейки на энергопотребляющем оборудовании с указанием А, А-плюс и так далее. Под каждым из них стоят какие-то довольно сложные расчеты энергоэффективности. Я бы рекомендовал, прежде всего, при покупке обращать внимания на этот аспект, потому что это очень важно. Это важно и для экономики страны, и для кармана самих же потребителей.

Международный институт компьютерных технологий — Кафедра электроэнергетики

Заведующий кафедрой — БЕЛЯКОВ Павел Юрьевич, кандидат технических наук, доцент

О КАФЕДРЕ

Кафедра электроэнергетики выпускает бакалавров по направлению «Электроэнергетика и электротехника», обладающих теоретическими знаниями и практическими навыками в своей предметной области. Направление «Электроэнергетика и электротехника» представляет часть науки и техники, включающую совокупность средств, способов и методов деятельности, созданных для прямого и обратного преобразования других видов энергии в электрическую, управления потоками и распределения электрической энергии. Электроэнергетика – это одна из ведущих отраслей энергетики, в которую входит генерация, транспортировка и распределение электроэнергии. Потребность в специалистах данного направления определяется задачами реструктуризации электроэнергетических систем, повышения их надежности и эффективной эксплуатации. Выпускники кафедры способны решать задачи проектирования сложных электроэнергетических систем с использованием современных компьютерных технологий, обеспечивать внедрение энергосберегающих технологий, использовать полученные знания в научных исследованиях и разработке возобновляемых источников энергии.

Уже не первый год широко говорят о цифровой экономике, широко обсуждают перспективы внедрения цифровых технологий, рассматривая дальнейшее внедрение цифровых информационно-измерительных систем управления, сбора и хранения информации в разные сферы деятельности как основной драйвер их роста. Какова же роль энергетики в этом процессе развития техники и человеческого общества?

Связь между информационными и энергетическими процессами выражается принципом Ландауэра: создание одного бита информации сопровождается соответствующим изменением энтропии. Согласно этому принципу минимальная энергия W [Дж], необходимая для обработки 1 бита информации пропорциональна постоянной Больцмана k_b [Дж·K^-1] на температуру Т[˚К] устройства, выполняющего это преобразование. Учитывая тот факт, что k_b=1,38064852(79)·10⁻²³ Дж·K^-1, рабочая температура современного микропроцессора порядка 100˚С, а частота 1Мгц соответствует 1 миллиону тактов в секунду, энергопотребление центров обработки цифровых данных огромно. По данным за 2017 г., опубликованным международным энергетическим агентством, в США эти центры потребляют больше электроэнергии, чем все промышленные предприятия вместе взятые. Близкие к этим цифры характерны для Германии и в Японии, хотя соотношения между количеством потребляемой электроэнергии там несколько иные. Что же в целом эта тенденция означает для понимания развития электроэнергетики сегодня?

Выходит, что технический прогресс, в том числе и достижения цифровой экономики, в конечном счёте, обеспечивается энергетическими возможностями человечества. То есть от ранних периодов развития общества до эпох НТР определяющим фактором была энергетическая обеспеченность, а сегодня, в связи с актуальностью решения не только экономических, но и экологических проблем, ещё и энергоэффективность. Для электроэнергетики решение указанных задач во-первых означает разработку достаточно большого числа новых энергоэффективных узлов генерации, а во-вторых, учитывая, что суммарная мощность трансформаторных подстанций на порядок выше мощности, генерируемой в сеть, максимально возможное снижение технологических потерь в электрических сетях за счёт такого распределения нагрузки между силовыми трансформаторами, которое обеспечит режим их работы, близкий к номинальному, то есть с максимальным к.п. д.

Решение последней задачи возможно на основе современных цифровых систем широкого регулирования, позволяющих в режиме реального времени связать информационные цепи служб релейной защиты, цифровые процессоры и современную высокоресурсную вакуумную силовую коммутационную аппаратуру. Термин «интеллектуальная электрическая сеть», пришедший в российскую энергетику из другого языка и, в общем-то, из кластера техники, существенно отличающегося по уровню автоматизации, был с самого начала недооценён и истолкован в том смысле, что интеллектуальная сеть это этап развития системы диспетчерского управления, хотя главная задача, решаемая этой системой, другая, сугубо практическая. Интеллектуальная сеть — современный способ обеспечения энергоэффективности электрической сети за счёт качественного снижения технологических потерь в ней.

С самого начала развития энергетики в нашей стране говорилось о необходимости наличия эффективного с точки зрения распределения нагрузки в соответствии с её фактическим графиком комплекта силовых трансформаторов подстанции, и, соответственно, о возможности его обеспечения при параллельной работе силовых агрегатов, работающих возможно близко к номинальным режимам. Кроме того, структура силовой части распределительной подстанции должна характеризоваться разумным коэффициентом использования оборудования. Всем этим в силу некомпетентности в последние годы часто пренебрегали в угоду желанию сэкономить на обслуживании типовой подстанции в двухагрегатном исполнении: один рабочий силовой трансформатор с достаточным запасом по мощности при максимальной нагрузке сети и один резервный, равной с ним мощности. Как результат – неоправданно высокая стоимость подстанции и высокие технологические потери при эксплуатации. С точки зрения минимизации технологических потерь в первом приближении число силовых агрегатов равно отношению максимальной и минимальной нагрузок, округлённому до ближайшего целого числа в большую сторону. Ясно, что структурой силовых подстанций следует серьёзно заниматься, а исходить нужно из того, что на всех интервалах суточного графика нагрузки будут работать разное число силовых агрегатов, при этом каждый будет загружен достаточно близко к номинальному режиму. То есть для существенного снижения технологических потерь в первую очередь нужно использовать отечественный опыт регулирования трансформаторных подстанций, соединив его с возможностью автоматического on-line переключения силовых агрегатов. Другие задачи, которые могут быть реализованы дополнительно, в том числе информационная поддержка диспетчерских служб и т.п. являются второстепенными, менее значимыми.

Научная деятельность кафедры

Кафедра электроэнергетики развивает сотрудничество с ведущими энергетическими компаниями региона: филиалом публичного акционерного общества «Межрегиональная Распределительная Сетевая Компания Центра» «Воронежэнерго», муниципальным унитарным предприятием «Воронежская горэлектросеть», филиалом ПАО «Квадра» – «Воронежская генерация».

Программа сотрудничества включает следующие разделы:

Развитие теории проектирования электрических сетей и методов их эксплуатации на основе критерия минимума технологических потерь энергии

Проектирование импульсных систем возбуждения генераторной техники

Разработка технологического оборудования для производства изоляторов из композитных материалов

Разработка аппаратных средств информационных каналов и специализированного программного обеспечения для адаптивных систем управления электрических сетей

Преподаватели, а также студенты, активно участвующие в деятельности СНО работают в составе временных творческих коллективов в рамках конкретных НИОКР, выполняющихся в отделе электротехнического оборудования, а также в конструкторско-технологическом бюро Инженерно-технического центра института.

Сотрудники кафедры электроэнергетики принимают непосредственное участие во всех проектах, выполняемых отделом электротехнического оборудования. Образцы техники, созданной этим отделом, представлены на сайте МИКТ в соответствующих разделах. Патенты и другие правоустанавливающие документы на созданную технику приведены в разделе Научные направления, подраздел Труды ведущих учёных по направлениям на сайте института.

Большая часть созданного оборудования и приборов входит в состав технологических установок, выпускаемых конструкторско-технологическом бюро Инженерно-технического центра института для целого ряда известных предприятий и организаций: ОАО «Лианозовский электро-механический завод», ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ», г. Москва, Ордена Трудового Красного Знамени «Институт химии силикатов» имени И.В. Гребенщикова», АО «Государственный оптический институт» им. Вавилова», ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии» имени Д. И. Менделеева», г. Санкт-Петербург, ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж, АО «ТАГАТ» им. С.И. Лившица, г. Тамбов и др. Данное оборудование представлено в соответствующих разделах сайта института.

Наиболее интересные в научном плане результаты получены в рамках проектов, связанных с разработкой электротехнологий и конкретных установок, на базе которых они реализованы.

В первую очередь это технология плазмо-химической обработки материалов. Сотрудниками кафедры решена проектная задача определения геометрии реактора при различных температурах, газовом составе и давлениях, а также уровнях напряжениях и частотах генераторов мощности. Ещё один перспективный наукоёмкий проект, выполненный с участием коллектива кафедры электроэнергетики – разработка установки пероксидно-плазменной стерилизации. Сотрудниками кафедры решена задача определения геометрии реактора с объёмным распределением потока плазмы при различных давлениях, концентрации перекиси водорода, напряжениях и частотах генератора мощности. Техническая суть, научная ценность и актуальность выполненных работ изложена в разделах:

Лаборатория электротехнологий

Лаборатория электроэнергетических систем

Преподаватели и студенты кафедры составляют основу коллектива, выполнявшего все разработки

Отдел автоматизированных систем управления

Преподаватели и студенты кафедры выполняли разработки систем on-line диагностики силового оборудования.

Учебная деятельность кафедры

В процессе обучения студенты осваивают естественно-научные, общепрофессиональные и специальные дисциплины. Большая часть учебного времени отводится на профильные предметы. В базовую подготовку электроэнергетиков входят такие курсы, как теоретические основы электротехники, электротехническое и конструкционное материаловедение, общая энергетика, электрические машины, безопасность жизнедеятельности. Делается упор на знание современных электроэнергетических систем, включая такие специальные дисциплины: релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем, электрооборудование энергетических систем, общая энергетика, применение ЭВМ в электроэнергетике, техника высоких напряжений, надежность электроэнергетических систем, технологии электроэнергетики нетрадиционных и возобновляемых источников.

Профессорско-преподавательский состав кафедры.
Преподаваемые дисциплины.
Контактная информация

Использование технологии 4.0 для оцифровки силовых установок

Статья (7 страниц)

Еще до вспышки COVID-19 электростанций, работающих на ископаемом топливе, столкнулись со значительным отказом от возобновляемых источников энергии, низкими ценами на газ и амбициозными целями по обезуглероживанию, и все это меняет предпочтения клиентов. Теперь, когда электроэнергетика переходит к следующему нормальному состоянию, внедрение новейших цифровых и передовых аналитических технологий стало критически важным.

Многие энергетические компании начали свою цифровую трансформацию с технологических решений, таких как модели данных, которые помогают оптимизировать заданные значения, позволяют принимать более эффективные решения по диспетчеризации и поддерживают стратегии обслуживания и выбор режима работы. Однако дальновидные компании недавно начали использовать инструменты визуализации для управления производительностью генерации в реальном времени и программное обеспечение для цифрового управления для передачи прогнозных данных в диспетчерские. Тем не менее, эти инновации основаны на ощутимом улучшении результатов работы станции и, следовательно, являются лишь частью цифровой электростанции следующего поколения (Иллюстрация 1).

Экспонат 1

Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему веб-сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами. Пожалуйста, напишите нам по адресу: [email protected]

Самым ценным активом организации являются ее данные. И первые шаги на пути любой компании — это создание основанной на фактах культуры, основанной на данных, и изучение того, как последние достижения в области аналитики могут преобразовать данные в полезную информацию. Новое поколение инструментов цифровой и расширенной аналитики появилось наряду с инновационными технологиями, такими как искусственный интеллект и машинное обучение. Такие подходы стремятся выйти за рамки традиционных методов многомерного регрессионного анализа с точки зрения выявления скрытых закономерностей и сложных взаимозависимостей.

Например, электростанция следующего поколения может использовать машинное обучение для учета значительно большего количества входных данных, что позволит моделировать основные рабочие функции станции более точно, чем это считалось возможным ранее. Всего несколько лет назад модели повышения производительности, основанные на термодинамических моделях и заданных значениях OEM, считались адекватным подходом к оптимизации тепловой мощности предприятия — количества энергии, необходимого для производства одного киловатт-часа (кВтч). Сегодня машинное обучение может оптимизировать скорость нагрева с гораздо большей эффективностью за короткое время.

Что важнее? Шесть приоритетов для руководителей в неспокойные времена
Женщины на рабочем месте 2022
Десять правил роста
Даже в метавселенной женщины остаются заблокированными на руководящих должностях.
Возможности чистого водорода для богатых углеводородами стран

В ближайшее десятилетие электростанции должны повысить эффективность своих установок и повысить устойчивость своей деятельности, чтобы оставаться конкурентоспособными в глобальном энергоснабжении. Здесь мы проиллюстрируем два момента: во-первых, последние модели и решения передовой аналитики изменили искусство возможного для производства электроэнергии; во-вторых, внедрение цифровых решений в области производства электроэнергии сегодня имеет большее значение, чем когда-либо прежде.

Основа для цифровых инструментов быстро расширилась

Исторически сложилось так, что электростанции в значительной степени полагались на хорошо зарекомендовавшие себя устаревшие системы, основанные на «основных принципах» инженерных идей и методах решения проблем, таких как прямой мониторинг отклонений температуры или давления без алгоритмов прогнозирования или распознавания закономерностей. Этим программам требовались дорогие системы, которые отслеживали только несколько типов данных и полагались на запатентованные инженерные знания для предоставления системных предупреждений и рабочих диапазонов.
¹

Рабочие диапазоны — это программы, подробно описывающие оптимальный диапазон, в пределах которого должно работать оборудование, например, программа, отслеживающая давление турбины.

Две тенденции помогают определить путь вперед. Во-первых, операторы лучше знакомы с новыми технологиями, методами и инструментами для сбора и хранения данных. Это привело к разработке рудиментарных информационных панелей для отслеживания специфических для предприятия параметров, таких как аварийные сигналы высокой температуры пароперегревателя или избыточное давление на турбине.

Во-вторых, увеличилась доступность квалифицированных специалистов в области программирования и цифровых технологий, а затраты на обработку данных снизились. В результате все больше компаний предлагают недорогие решения для анализа данных. Фактически, обзор 40 компаний, предлагающих продукты, непосредственно применимые на электростанциях, показывает, что разработка ориентированных на эксплуатацию технологий и передовых математических моделей резко возросла. Небольшие программные продукты, предназначенные для оптимизации конкретной операции или поддержки согласованной точки принятия решений, получили широкое распространение, а более высокие уровни спецификации создали технологическую экосистему, которая позволяет производителям электроэнергии внедрять целенаправленную оцифровку для увеличения стоимости (Иллюстрация 2).

Экспонат 2

Эти тенденции подготовили почву для нынешней цифровой трансформации. Дешевая вычислительная мощность, доступные таланты и большой репозиторий исторических данных обеспечивают основу, на которой могут быть построены новые передовые аналитические методы и сквозные цифровые инструменты.

Инструменты нового поколения можно легко внедрить, и они принесут значительную пользу

Электростанции уже высоко «сенсоризированы», что означает, что постоянно собираются и хранятся огромные объемы данных. Однако наше исследование показывает, что лишь от 20 до 30 процентов собранных данных используются для непосредственного принятия решений и что данные, собранные с датчиков, можно лучше оптимизировать (рис. 3).

Экспонат 3

Например, одна электростанция собирала и хранила более 30 000 различных «меток» или уникальных типов данных станции более десяти лет, но эти данные остались совершенно незамеченными руководством. Такую информацию часто трудно усвоить, а связь между набором данных и его финансовым воздействием не всегда очевидна. В результате многие операторы могут воспринимать такие данные как «черный ящик», если только они не участвовали в процессе их сбора.

Следующее поколение ценности, скорее всего, будет построено на этой информационной основе. Операторы могут использовать подход, основанный на аналитике, для поиска уникальных предикторов производительности предприятия. А расширение этих выводов с помощью основных инженерных и операционных идей может оптимизировать ранее неизвестные факторы ценности. Например, алгоритмы быстрого машинного обучения уже могут определять оптимальные параметры для увеличения мощности и теплопроизводительности парогазовых установок. Усовершенствованные методы распознавания образов могут определить и предсказать необходимость ремонта, а также заблаговременно рекомендовать целенаправленное профилактическое обслуживание.

Модели оптимизации эффективности, гибкости и работоспособности агрегата могут дополнительно помочь операторам довести свои объекты до теоретических пределов производительности. Результаты могут включать улучшение их итоговых показателей за счет повышения доступности электроэнергии и снижения расхода топлива для сведения к минимуму выбросов углерода.

Разработка расширенной аналитики: четырехэтапный подход

Даже самые эффективные электростанции могут извлечь выгоду из моделей расширенной аналитики для повышения теплопроизводительности (Иллюстрация 4). Все большее число энергетических компаний в начале своего пути к цифровым технологиям уже видят многообещающие результаты. Независимо от типа топлива (уголь или газ) машинное обучение и расширенная аналитика могут повысить теплоотдачу до 3 процентов. Увеличить прибыль и снизить выбросы углерода можно, следуя программе из четырех шагов.

Экспонат 4

Этот подход, основанный на исторических данных от операторов, ИТ-команд и малых и средних предприятий (МСП), включает более 1000 тегов данных для создания моделей, которые имитируют несколько сценариев и генерируют противоречивые рекомендации. Кроме того, эти теги включают в себя сотни переменных, таких как температура и давление в разных точках различного оборудования, температура окружающей среды, а также теги включения-выключения и их продолжительность.

Компании должны получать информацию из исторических данных. Операторы предприятий должны обеспечить высокое качество данных и их проверку на наличие несоответствий, таких как разовые поломки или простои оборудования. Этот корреляционный анализ может помочь понять основные взаимосвязи между данными и прошлыми показателями.
Операторы и владельцы должны использовать модель расширенной аналитики и задаться вопросом: «Что, если?» Это может позволить руководству понять взаимосвязи и ограничения на основе данных и впоследствии изучить новые сценарии (например, как будет работать газовая турбина, если предельные значения давления будут увеличены?). Такой вид анализа чувствительности также может дать дополнительное представление о прошлой производительности.
После выполнения шагов, основанных на аналитике, операторы могут перейти к прогнозированию. Для начала они должны определить, насколько хорошо алгоритм прогнозирования прогнозирует выходные данные, поскольку модель расширенной аналитики может использовать часть фактических данных для получения картины будущей производительности. Предварительный прогноз — прогноз, в котором используется только доступная информация — можно сравнить с фактическими данными, чтобы определить точность постфактум.
Продолжить оптимизацию. Машинное обучение и передовые алгоритмы могут предписывать оптимальные действия для итерации в реальном времени. Система, использующая машинное обучение, может реагировать на ранее зарегистрированные данные, укрепляя взаимосвязь между тем, что было предсказано, и тем, что произошло, а также отображая отклонения между ними. Затем эта система может улучшить свой итерационный процесс и сделать последующие прогнозы гораздо более точными. Прогнозы будут продолжать улучшаться с течением времени, обеспечивая оптимальное принятие решений и параметры практически без потери времени.

Несмотря на то, что результаты этого подхода будут разными, большинство электростанций, скорее всего, продемонстрируют снижение затрат на топливо из-за более высоких скоростей нагрева, что повысит рентабельность. Этот подход также может помочь предприятиям сократить выбросы углерода, поскольку для производства электроэнергии потребуется меньше угля или газа.

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый электростанциями за последние годы, они лишь поверхностно осветили то, чего может достичь оцифровка. Эффективные и устойчивые цифровые операции являются ключом к успеху в новом нормальном мире. Те, кто не использует свои данные по максимуму, рискуют отстать — даже во времена экономической стабильности. Изменения, произошедшие во время пандемии, дают коммунальным предприятиям возможность внедрить новые операционные модели, позволяющие быстрее принимать решения, повышать структурную гибкость и привлекать новые таланты.

Производство электроэнергии из ископаемого топлива пока останется нормой, поскольку переход на возобновляемые источники энергии является сложным процессом. Тем не менее, ископаемые заводы могут внести свой вклад в поддержку этого перехода, постоянно улучшая свою работу. После исчерпания традиционных рычагов повышения производительности цифровые решения следующего поколения, скорее всего, станут новой границей роста.

Шесть наиболее многообещающих новых технологий «зеленой» энергетики

Технология концентрации солнечной энергии

Технология концентрации солнечной энергии (CSP), включающая использование зеркал для фокусировки солнечного света на приемник, который улавливает и преобразует солнечную энергию в тепло для производства электроэнергии, используется с 1980-х годов. Однако в последние годы технология CSP вновь стала многообещающей новой технологией экологически чистой энергии благодаря новым инновациям в различных системах CSP и изобретению новых решений для хранения солнечной энергии, таких как технология расплавленной соли.

Используемые в настоящее время системы CSP делятся на три типа, а именно: система желоба, система силовой башни и система тарелки/двигателя. Система желобов состоит из U-образных отражателей, фокусирующих солнечный свет на заполненных нефтью трубах, проходящих вдоль их центра с горячей кипящей водой для производства пара для производства электроэнергии. В системе CSP энергетической башни используются большие плоские зеркала, называемые гелиостатами, для фокусировки солнечных лучей на приемник, расположенный на вершине башни, в которой жидкость, такая как расплавленная соль, может поглощать тепло, чтобы производить пар для немедленного производства электроэнергии или хранить его для последующего использования.

Системы тарелки/двигателя используют зеркальные тарелки для фокусировки и концентрации солнечного света на приемнике, установленном в фокусе тарелки. Приемник интегрирован с двигателем внешнего сгорания, который вырабатывает электричество, поскольку концентрированный солнечный свет нагревает расширяющийся газообразный водород или гелий, содержащийся в его тонких трубках, приводя в движение поршень двигателя.

Глобальная установленная мощность CSP в начале 2013 года составляла 2,5 ГВт, при этом на долю США, за которыми следовала Испания, приходилось большинство из них. Недавно открытый проект солнечной энергетики Ivanpah мощностью 320 МВт, основанный на системе силовых башен в калифорнийской пустыне Мохаве в США, является крупнейшей в мире электростанцией CSP. Солнечная электростанция Solana мощностью 280 МВт, расположенная в Аризоне, США, была введена в эксплуатацию в октябре 2013 года и стала крупнейшей в мире электростанцией CSP на основе системы желобов. Завод в Солане также предлагает шестичасовую емкость для хранения расплава для производства электроэнергии в вечернее время.

В настоящее время в мире разрабатываются многие другие установки CSP. Долгосрочная вероятность успеха технологии CSP очевидна из-за использования усовершенствованных решений для хранения тепловой энергии, чтобы избежать наиболее распространенной проблемы прерывистости солнечной энергетики, а также из того факта, что оборудование, используемое для обычных электростанций, работающих на ископаемом топливе, можно использовать для крупномасштабных CSP. растения.

Плавающие ветряные турбины

Коммерческая эксплуатация плавучих ветряных турбин может стать ключом к раскрытию потенциала морской ветровой энергии в более глубоких водах, где ветры часто более сильные и устойчивые. В отличие от обычных морских ветряных турбин, которые требуют возведения бетонных оснований на морском дне, плавучие ветряные турбины, основанные на технологии морских плавучих нефтяных и газовых платформ, закрепляются на морском дне с помощью всего нескольких тросов на глубине до 700 м. Более глубокие воды также предлагают преимущество менее навязчивых установок.

Успешная демонстрация нескольких прототипов плавучих ветряных турбин с 2009 года вызвала интерес к коммерческому использованию плавучих ветряных турбин. Некоторые из лучших примеров включают испытательную турбину голландского разработчика плавучих турбин Blue H Technologies у побережья южной Италии, экспериментальную плавучую ветряную турбину Hywind нефтегазовой компании Statoil у побережья Норвегии и прототип плавучей ветряной турбины на Фукусиме. побережье Японии.

Интерес к выработке ветровой энергии с помощью плавучих турбин особенно заметен в таких странах, как Япония, которая стремилась к альтернативным источникам энергии после ядерной катастрофы в 2011 году, но не имеет достаточного мелководья в прибрежных водах для поддержки обычных ветряных электростанций.

Япония предложила к 2020 году построить плавучую ветряную электростанцию мощностью 1 ГВт примерно в 20 км от побережья поврежденной АЭС «Фукусима-дайити». Правительство инвестировало 226 миллионов долларов в установку первого прототипа турбины и двух дополнительных ветряных турбин мощностью 7 МВт. После успешных испытаний первоначальных турбин проект ветряной электростанции Фукусима со 140 дополнительными турбинами будет разработан частной коалицией, включающей Marubeni, Mitsubishi, Hitachi и другие. В проекте «Фукусима» используется полупогружная турбинная платформа с тремя резервуарами плавучести, расположенными треугольником вокруг турбины, и первая в мире плавучая подстанция, содержащая электрооборудование, необходимое для передачи энергии от турбин на берег.

Плавучие морские ветроэлектростанции также набирают обороты в Великобритании. Первый в стране проект плавучей ветроэнергетики Buchan Deep получил одобрение от Crown Estate в ноябре 2013 года. Ветряная электростанция мощностью 30 МВт, состоящая из шести плавучих турбин, будет построена компанией Statoil у побережья Абердиншира, Шотландия, на глубине воды 100 метров.

Печатаемые органические солнечные элементы

Гибкие солнечные элементы, пригодные для печати, могут произвести революцию в производстве фотоэлектрической солнечной энергии с использованием полупроводниковых чернил, напечатанных непосредственно на гибком, растяжимом тонком пластике или стали, что не только снизит стоимость солнечных элементов, но и откроет множество возможностей. новых вариантов установки.

Эти чрезвычайно легкие органические солнечные элементы можно ламинировать на стены зданий или любые другие неровные поверхности, подверженные воздействию солнечного света, а также встраивать непосредственно в строительные материалы. Также считается, что солнечные элементы, состоящие из пластиковых полимеров, лучше работают в условиях низкой освещенности.

Группа австралийских ученых изготовила солнечные элементы толщиной с лист бумаги формата A3, используя специальную печатную машину, установленную в австралийском национальном научно-исследовательском агентстве CSIRO в начале 2014 года. Принтер на солнечных элементах мог производить до десять метров солнечной панели в минуту. Ожидается, что один квадратный метр солнечной панели будет производить от 10 до 50 Вт.

Сверхдешевая технология печати солнечных элементов, дополненная рядом других связанных технологий, которые в настоящее время находятся на стадии исследований, для повышения выходной мощности печатаемых фотоэлектрических элементов, таких как технология солнечных элементов, сенсибилизированных красителем (DSC), и использование красителя. пластик с покрытием может поглощать свет, идущий под разными углами, что обещает поднять экономичность и эффективность производства фотоэлектрической солнечной энергии на новый уровень.

Технология газификации биомассы для производства электроэнергии

Преобразование биомассы в горючий газ и использование его для производства электроэнергии стало средством преобразования имеющихся в изобилии отходов биомассы в чистую и эффективную электрическую энергию.

Усовершенствованная электростанция для газификации биомассы обычно включает систему газификатора, преобразующую твердую биомассу в чистый горючий газ посредством термохимических процессов, включающих стадии сушки, пиролиза и газификации. Образующаяся в процессе негорючая зола мигрирует на решетку в основании газификатора и время от времени удаляется с помощью механизма встряхивания решетки.

Произведенный синтетический газ сжигается в окислителе при температуре до 700°F, при этом образующийся горячий дымовой газ проходит через котел для производства пара высокого давления, который приводит в действие турбину для производства электроэнергии. Электростатические осадители используются для улавливания оставшихся твердых частиц, присутствующих в дымовых газах, выбрасываемых в воздух.

Проект Birmingham Bio Power мощностью 10,3 МВт, разрабатываемый в Тайсли, Бирмингем, Великобритания, является одним из крупных недавно начатых энергетических проектов коммерческого масштаба с использованием передовой технологии газификации биомассы. Технология выработки электроэнергии на основе газификации биомассы также обладает значительным потенциалом, особенно в развивающихся странах, где огромное количество отходов биомассы, направляемых на свалки, может быть использовано для производства чистой энергии.

Технологии приливной энергии

Технология производства приливной энергии находится в зачаточном состоянии по сравнению с другими технологиями возобновляемой энергии, но темпы инноваций и новых демонстраций технологий хороши тем, что энергия приливов может стать жизнеспособной технологией зеленой энергии в коммерческом масштабе. в долгосрочной перспективе.

Ряд устройств, включая морские поплавки, буи или килевые устройства, устройства колеблющегося водяного столба (OWC) и подводные турбины, был разработан для производства электроэнергии из волн и приливов океана. Инновационное подводное плавучее устройство под названием Deep Green, оснащенное гидродинамическим крылом и безредукторной турбиной, прикрепленной к дну океана тросом, было разработано шведской компанией Minesto, занимающейся технологиями морской энергетики, в 2013 году для использования низкоскоростных приливных течений для выработки электроэнергии.

Хотя было испытано множество различных устройств, использование подводных приливных турбин оказалось наиболее многообещающей моделью приливной энергетики. Первая в мире приливная турбина коммерческого масштаба была введена в эксплуатацию в Странгфорд-Лох в Северной Ирландии в июле 2008 года. Другие известные проекты приливной энергетики с использованием подводных приливных турбин включают ветряные электростанции Sound of Islay и West Islay, разрабатываемые у побережья Шотландии.

Приливные лагуны также становятся еще одной многообещающей моделью производства приливной энергии. Первый в мире проект приливной электростанции в лагуне был предложен в заливе Суонси в Великобритании. Проект, который планируется начать в 2015 году и ввести в эксплуатацию в 2018 году, будет включать строительство 95-километровая морская стена или волнолом для создания гавани, ограждающей 11,5 км2 морской территории.

По мере того, как уровень моря за стеной поднимается, шлюзовые затворы открываются, позволяя воде проходить через установленные гидротурбины с колбами для выработки электроэнергии. Точно так же, когда внешний уровень моря падает, вода высвобождается из лагуны, снова приводя в действие турбины. Демонстрационная фаза предлагаемого проекта мощностью 320 МВт в заливе Суонси, рассчитанная на 6 мегаватт, должна быть завершена к 2016 году9.0003

Технология микробных топливных элементов (МТЭ)

Технология микробных топливных элементов (МТЭ) может генерировать энергию из ряда органических отходов, включая сточные воды и человеческую мочу. В технологии используются бактерии для выработки электроэнергии из отходов путем преобразования химической энергии в электрическую посредством каталитической реакции микроорганизмов. Технология также одновременно помогает обеззараживать используемые отходы.

В технологии MFC используются микробы, встречающиеся в природе в анодном отсеке элемента, которые работают как биокатализатор. Когда органические отходы поступают в клетку, микробы генерируют электроны, потребляя отходы в рамках своего естественного метаболического процесса. При подключении к катоду электричество вырабатывается при движении электродов. Группа британских ученых при поддержке Билла Гейтса разрабатывает устройство MFC, специально предназначенное для выработки электричества из мочи человека.

В рамках отдельной разработки исследователи из Технологического института Джорджии в начале 2014 года разработали гибридный топливный элемент, который может напрямую преобразовывать широкий спектр растворимой биомассы в электричество с использованием катализатора, который может быть активирован солнечной энергией. или тепловой энергии. Биомасса измельчается и смешивается с фотохимическим и термохимическим катализатором, называемым полиоксометаллатом (ПОМ) в растворе.

Технологии электроэнергетики: Применение ИТ-технологий в различных отраслях деятельности