Оправдывая своё прозвище, штаты «Солнечного пояса» от Джорджии до Аризоны в последнее время активно строят новые солнечные электростанции. На данный момент лидирует Техас, но многие другие штаты также ускоряют свой рост. По данным Управления энергетической информации, за последние 12 месяцев в Миссисипи объем солнечной энергии вырос на 73%, а Луизиана проявила еще большую активность, достигнув 90%.

Электросети довольно хорошо справлялись с этим быстрым ростом в течение последнего десятилетия. Но они тоже чувствительны и нуждаются в технической поддержке, чтобы справляться с растущими объемами колеблющейся энергии. Чтобы поддерживать стабильность сетей по мере их наполнения возобновляемыми источниками энергии, инженеры обычно добавляют в систему мотор-генератор, называемый синхронным конденсатором. Спрос на эти синхронные конденсаторы — которые GE Vernova внедрила в странах от Великобритании до Саудовской Аравии — растет во всем мире благодаря их способности стабилизировать напряжение и сглаживать потоки энергии. Специалисты в области энергетики называют этот фактор стабильности сети инерцией, и он обеспечивает устойчивость к коротким замыканиям и динамическую поддержку напряжения. Инерция, вопреки тому, как это звучит, — это именно то, что нужно системе.

Несколько лет назад GE Vernova начала изучать дополнительные решения для решения проблем стабильности энергосистемы с использованием уже эксплуатируемого энергетического оборудования. Результатом стало поистине новаторское открытие: газовую турбину серии 7F можно фактически дополнить функциями синхронного конденсатора, сохранив при этом ее обычные характеристики генерации. В прошлом году компания сотрудничала с энергетической компанией на юге США, чтобы реализовать первый в своем роде проект по внедрению комбинации синхронного конденсатора и турбины в эксплуатацию.

«Это первая попытка», — говорит Луис Велтре, менеджер по продуктам газовых турбин серии 7F в подразделении Gas Power компании GE Vernova. «Наша команда, занимающаяся газотурбинными двигателями авиационного происхождения, может реализовать это на меньших турбинах, но это первый случай, когда это сделано на полноразмерной газовой турбине высокой мощности. Поэтому мы очень рады этому». Учитывая широкое использование этих крупных турбин во всем мире, перспективы очень обнадеживающие в мире, стремящемся к дальнейшей экономии затрат при одновременном расширении использования возобновляемых источников энергии.

Превращение турбин в многозадачные устройства

По словам Велтре, ситуация становится еще лучше. Добавление этой новой функции к серии 7F фактически позволяет задействовать эти турбины для другого вида работы именно в то время суток, когда выработка солнечной энергии достигает пика, а они обычно простаивают. «Эти газовые турбины подключены к мощным генераторам, готовым к работе, которые могут помочь стабилизировать энергосистему. Но когда солнечная энергия сильна, турбогенераторы просто простаивают, ожидая, когда их задействуют исключительно для выработки электроэнергии. Таким образом, у вас уже есть эти замечательные активы».

В ходе проекта команда изучила три различных решения, но два из них, оба предполагавшие добавление «сцепления», оказались либо дорогостоящими, либо трудоемкими, либо и тем, и другим. Вместо этого они выбрали «бесцепной» вариант, ранее разработанный GE Vernova. « «Все это шестимесячное исследование проходило в духе тесного сотрудничества», — говорит Вельтре. «Мы определили все риски, меры по их снижению и оценили все затраты. В конце концов, мы пришли к общему мнению, что вариант без муфты — лучший подход». Тестирование этого решения, которое теперь прошло успешно, проводилось на одной турбине 7F.05, что позволило создать доказательство концепции, которое, по словам Вельтре, можно внедрить на других объектах с турбинами 7F.05 в регионе.

«Когда такой ценный актив уже имеется в наличии, возникает вопрос, как наилучшим образом использовать его в различных условиях эксплуатации, которые могут возникать в течение дня», — говорит Ренато Ябику, менеджер по продуктам в области синхронных конденсаторов в подразделении Power Conversion and Storage компании GE Vernova.

Идеальный симбиоз

Новые возможности турбины прекрасно вписываются в условия штатов «Санбелта», где в пиковые часы дня генерируется столько солнечной энергии, что сеть не справляется с избытком, и его приходится ограничивать или терять — то есть часть произведенной электроэнергии приходится сокращать или терять, поскольку сеть не может использовать ее всю в данный момент.

Ограничение может происходить по нескольким причинам, отмечает Ябику. В некоторых случаях выработка превышает имеющийся спрос. В других ограничение связано с недостаточной устойчивостью к короткому замыканию, поддержкой реактивной мощности или инерцией в системе, что может ограничивать способность сети распределять доступную энергию. В таких случаях дополнительная поддержка синхронного конденсатора — если существующий газотурбинный генератор расположен в нужном месте сети — может помочь уменьшить ограничение.

Невозможность использовать или взимать плату за эти низкоуглеродные электроны — это реальный ущерб для экономики солнечной энергетики и для окружающей среды. Вельтре объясняет, что здесь происходит нечто волшебное, потому что в будущем некоторые энергокомпании смогут питать эти усовершенствованные 7F избыточной солнечной энергией.

Газотурбина повышенной мощности 7F.05 от GE Vernova может работать в режиме синхронного конденсатора, обеспечивая поддержку напряжения, реактивную мощность и инерцию системы — и все это без сжигания топлива. Она способна поддерживать рост использования возобновляемых источников энергии, используя избыточную солнечную или ветровую энергию для обеспечения стабильности энергосистемы. Источник: GE Vernova

Вот как это будет работать: когда 7F работают как турбины, они сжигают природный газ. Но когда они работают как синхронные конденсаторы, им нужна электрическая энергия. В качестве синхронных конденсаторов турбины 7F меняют свою функцию, принимая и выдавая реактивную мощность — неуправляемые силы в энергосистемах, которые необходимо укротить. Но при этом они работают «без топлива» — без природного газа, без ископаемого топлива, только на электричестве.

По словам Вельтре, для получения этой электроэнергии есть идеальное решение: системе нужна помощь конденсаторов, когда в сети появляется избыток солнечной энергии, но при наличии избыточной солнечной энергии синхронные конденсаторы могут работать на этом избытке. В регионах с высокой долей возобновляемых источников энергии газовые турбины часто используются в качестве генераторов для обеспечения стабильности. Но, по словам Вельтре, изменение режима их работы раскрывает их способность стабилизировать сеть и делает их еще более эффективными.

«Кроме того, такой подход позволяет значительно сократить выбросы углерода», — говорит Вельтре. «Таким образом, вместо того чтобы сжигать топливо для работы газовых турбин с целью поддержания напряжения, можно использовать солнечную электростанцию для привода генератора, который, в свою очередь, приводит в действие газовую турбину, и одновременно производить или поглощать реактивную мощность». Он добавляет, что любое место в мире, где доля возобновляемых источников энергии достаточно высока, чтобы снизить цены на электроэнергию до низкого уровня или даже до отрицательного значения — Калифорния, Австралия, Ближний Восток и некоторые части Европы — может стать кандидатом для внедрения этой новой технологии.

Источник