Виправдовуючи свою назву, штати «Сонячного поясу» — від Джорджії до Арізони — останнім часом активно будують нові сонячні електростанції. Наразі лідирує Техас, але й багато інших штатів прискорюють своє зростання. За останні 12 місяців, за даними Адміністрації енергетичної інформації, Міссісіпі збільшила обсяги сонячної енергії на 73%, а Луїзіана діяла ще агресивніше, досягнувши 90%.

Протягом останнього десятиліття електромережі досить добре справлялися з цим швидким зростанням. Але вони теж чутливі системи і потребують технічної підтримки, щоб впоратися з дедалі більшими обсягами енергії, що коливається. Щоб підтримувати стабільність мереж у міру їхнього наповнення відновлюваними джерелами енергії, інженери зазвичай додають до системи мотор-генератор, який називається синхронним конденсатором. Попит на ці синхронні конденсатори — які GE Vernova впровадила в країнах від Великої Британії до Саудівської Аравії — зростає у всьому світі завдяки їхній здатності стабілізувати напругу та згладжувати потоки енергії. Фахівці у сфері енергетики називають цей фактор стабільності мережі інерцією, і він забезпечує стійкість до коротких замикань та динамічну підтримку напруги. Інерція, всупереч тому, як це звучить, є саме тим, що потрібно системі.

Кілька років тому компанія GE Vernova почала шукати додаткові рішення для підтримки стабільності енергомереж з використанням вже діючого обладнання для виробництва електроенергії. Результатом стало справді новаторське відкриття: газову турбіну серії 7F можна фактично доповнити функціоналом синхронного конденсатора, зберігаючи при цьому її звичайні характеристики генерації. Минулого року компанія співпрацювала з енергетичною компанією на півдні США, щоб реалізувати перший у своєму роді проект із впровадження комбінації синхронного конденсатора та турбіни в експлуатацію.

«Це перша така реалізація», — каже Луїс Велтре, менеджер з продукції газових турбін серії 7F у підрозділі Gas Power компанії GE Vernova. «Наша команда, що займається аеродеривативами, може досягти цього на менших турбінах, але це вперше, коли це було зроблено на повномасштабній газовій турбіні великої потужності. Тому ми дуже раді цьому». З огляду на широке використання цих великих турбін у всьому світі, наслідки є дуже багатообіцяючими у світі, який прагне досягти подальшої економії коштів, продовжуючи розширювати використання відновлюваних джерел енергії.

Перетворення турбін на багатозадачні машини

За словами Велтре, історія стає ще кращою. Додавання цієї нової можливості до серії 7F фактично переорієнтовує ці турбіни на інший вид роботи саме в той час доби, коли сонячна генерація досягає піку, а вони зазвичай простоюють. «Ці газові турбіни підключені до потужних генераторів, готових до роботи, що може допомогти стабілізувати енергосистему. Але коли сонячна енергія сильна, турбінні генератори просто простоюють, чекаючи на запуск виключно для виробництва електроенергії. Тож ви вже маєте ці чудові активи».

Під час проекту команда розглянула три різні рішення, але два з них, які передбачали додавання «муфти», виявилися дорогими або трудомісткими, або й тим, і іншим. Натомість вони обрали «безмуфтовий» шлях, який раніше розробила GE Vernova. « «Це шестимісячне дослідження було дуже спільним», — каже Велтре. «Ми визначили всі ризики, заходи щодо їхнього зменшення та оцінили всі витрати. Зрештою, ми спільно дійшли згоди, що варіант без муфти є найкращим підходом». Випробування цього рішення, яке наразі є успішним, проводилося на одній турбіні 7F.05, створивши концептуальне підтвердження, яке, за словами Велтре, можна впровадити на інших об’єктах з турбінами 7F.05 у регіоні.

«Коли такий цінний актив вже є в наявності, постає питання, як найкраще його використовувати в різних умовах експлуатації, що можуть виникати протягом дня», — каже Ренато Ябіку, менеджер з продуктів у сфері синхронних конденсаторів у підрозділі Power Conversion and Storage компанії GE Vernova.

Ідеальна симбіоза

Нова функція турбіни чудово вписується в реалії штатів «Сонячного поясу», які генерують стільки сонячної енергії в пікові полуденні години, що мережа не може впоратися з надлишком, і його доводиться обмежувати або втрачати — тобто частина виробленої електроенергії має бути скорочена або втрачена, оскільки мережа не може використати її всю в цей момент.

Обмеження може відбуватися з кількох причин, зазначає Ябіку. У деяких випадках виробництво перевищує наявний попит. В інших обмеження пов’язані з недостатньою стійкістю до короткого замикання, підтримкою реактивної потужності або інерцією в системі, що може обмежувати здатність мережі розподіляти наявну електроенергію. У таких випадках додаткова підтримка синхронного конденсатора — якщо існуючий газотурбінний генератор розташований у потрібній точці мережі — може допомогти зменшити обмеження.

Неможливість використовувати або стягувати плату за ці низьковуглецеві електрони є справжньою втратою для економіки сонячної енергетики та для навколишнього середовища. Велтре пояснює, що тут відбувається певна магія, оскільки в майбутньому деякі енергокомпанії зможуть живити ці розширені 7F надлишковою сонячною енергією.

Важкодоступна газова турбіна 7F.05 від GE Vernova може працювати в режимі синхронного конденсатора, забезпечуючи підтримку напруги, реактивну потужність та інерцію системи, і все це без спалювання палива, а також може підтримувати розвиток відновлюваних джерел енергії, використовуючи надлишкову сонячну або вітрову енергію для забезпечення стабільності мережі. Джерело: GE Vernova 

Ось як це працюватиме: коли 7F працюють як турбіни, вони спалюють природний газ. Але коли вони працюють як синхронні конденсатори, їм потрібна електроенергія. Як синхронні конденсатори, 7F змінюють функції, отримуючи та випромінюючи реактивну потужність — нестримні сили в електромережах, які необхідно приборкати. Але при цьому вони працюють «без спалювання» — без природного газу, без використання викопного палива, лише на електроенергії.

За словами Велтре, для отримання цієї електроенергії існує ідеальне рішення: система потребує допомоги конденсаторів, коли в мережі надходить додаткова сонячна енергія, але коли сонячної енергії надходить надлишок, синхронні конденсатори можуть працювати на цьому надлишку. У регіонах з високою часткою відновлюваних джерел енергії газові турбіни часто використовуються як генератори для забезпечення стабільності. Але, за словами Велтре, зміна режиму їх роботи розкриває їхній потенціал у стабілізації мережі та робить їх ще ефективнішими.

«Це також підхід, який може значно зменшити викиди вуглецю», — каже Велтре. «Тож замість спалювання палива для роботи газових турбін з метою підтримки напруги, можна використовувати сонячну електростанцію для приведення в дію генератора, щоб запустити газову турбіну, а потім одночасно виробляти або поглинати реактивну потужність». Він додає, що будь-яке місце у світі, де рівень проникнення відновлюваних джерел енергії є достатньо високим, щоб знизити ціни на електроенергію або зробити їх від’ємними — Каліфорнія, Австралія, Близький Схід та деякі частини Європи — може бути кандидатом для впровадження цієї нової можливості.

Джерело