Процесс использования электроэнергии является непостоянным во времени, поскольку зависит от желаний и потребностей абонентов. Мощность нагрузки меняется в зависимости от технологических процессов, расписания работы предприятий, времени суток и просто желаний людей воспользоваться электроприборами. Производство энергии осуществляется в режиме, который должен соответствовать потребностям в электроэнергии конечных потребителей. Для обеспечения бесперебойного электроснабжения мощность источников должна превышать мощность нагрузки одновременно работающих потребителей электроэнергии. Это обеспечивается применением источников электроэнергии повышенной мощности, созданием резервных источников и объединением нескольких источников в единую энергетическую сеть.
Производство электрической энергии в России в основном приходится на теплоэлектростанции (ТЭС), в меньшей степени на гидро- и атомные электростанции (ГЭС и АЭС), небольшую долю составляют возобновляемые источники энергии: ветровые и солнечные электростанции (ВЭС и СЭС) (рис. 1) [1].

Для получения электроэнергии на электростанциях используется комплекс генераторов определенной мощности, который включается в работу в зависимости от подключаемой у абонентов нагрузки. При этом, как правило, мощность вводимых в работу генераторов превышает мощность нагрузки, чтобы обеспечить надлежащее качество электроэнергии. Коэффициент использования мощности оборудования электростанции при существующих режимах нагрузки составляет около 50 % (таб. 1).

Отрицательной стороной такого режима работы генераторов является пониженный коэффициент полезного действия (КПД) и избыточный перевод энергии первоисточника (топлива для ТЭС и АЭС) в тепло. В случае утилизации произведенной тепловой энергии для нужд систем отопления и горячего водоснабжения эффективность использования энергии топлива повышается, но часть энергии всё равно рассеивается в виде тепла в окружающую среду.

Оптимальным графиком производства электроэнергии для ТЭС, ГЭС и АЭС является равномерный режим. При таком графике имеется возможность включить в работу требуемое количество генераторных установок в режиме максимального для них КПД.

Для ветровых и солнечных электростанций задача совмещения режимов производства электроэнергии и ее потребления сложнее, поскольку кроме неравномерности и стохастичности мощности нагрузки работа генераторов зависит от непостоянных погодных условий.

Для решения задач совмещения неравномерности мощности нагрузок и генерирования электроэнергии используются накопители энергии. Для ВЭС и СЭС системы накопления энергии учитываются в проекте и строительстве электростанций с самого начала их жизненного цикла. В ГЭС также используется накопитель энергии, которым является водохранилище перед плотиной. Но этот накопитель скорее следует отнести к хранилищу первоисточника энергии, аналогично резервуару с топливом для ТЭС, поскольку потенциальная энергия уровня воды переходит в электрическую только после преобразователя (турбины).

При передаче электроэнергии от электростанции до потребителей используется энергосеть, в которой происходит ее ступенчатое преобразование (повышение и понижение напряжения) и распределение по отходящим ветвям до конечных потребителей. Неравномерность нагрузки учитывается и при распределении энергии: при проектировании электрических сетей и станций закладывается избыточная мощность трансформаторов и сечение проводов, чтобы обеспечить пики нагрузки. Но при этом коэффициент использования этого оборудования составляет, как и для электростанций, в среднем около 50 %.

Идея использования накопителей энергии на различных уровнях распределительных сетей — от генератора до конечного потребителя — не нова и есть проекты, реализующие ее. Как сказано было выше, СЭС и ВЭС изначально оборудуются накопителями, а в крупных системах электроснабжения используются гидроаккумулирующие электростанции. Об использовании накопителей у конечных потребителей достаточно много звучит обсуждений, выпущено публикаций, выполнено проектов и проведено исследовательских работ [2, 3, 4]. Но до реализации доведено их очень малое число. Причина — высокая стоимость установок по сравнению с получаемым положительным эффектом.
В настоящее время использование энергетических систем, которые были спроектированы в прошлом веке для меньших нагрузок, повышает интерес к использованию накопителей энергии, которые позволили бы снизить пиковые значения мощности и использовать имеющиеся ресурсы электрооборудования. То есть если изначально эффективность применения накопителей рассчитывалась исходя из повышения КПД генераторных электроустановок и снижения потерь при транзите электроэнергии, то в условиях повышающегося дефицита мощности в свете роста нагрузки применение накопителей следует сравнивать со строительством и эксплуатацией нового источника электроэнергии.

Также следует учесть тенденцию развития возобновляемых источников энергии, таких как ветровые и солнечные, объединение которых с традиционными электростанциями в единую энергетическую систему без накопителей энергии невозможно. Актуальным в этом случае является использование возобновляемых источников энергии на удаленных объектах нефтяного комплекса в качестве основного или резервного, параллельно традиционной системе электроснабжения, что невозможно реализовать без накопителей.

В свете этого возникает задача оценки эффективности применения накопителей энергии на объектах нефтяного комплекса в зависимости от таких параметров, как характер нагрузки, вид источников электроэнергии и режим их работы, параметры системы электроснабжения, требования к надежности, качеству и бесперебойности электроснабжения.
Далее рассматривается использование накопителей энергии у потребителей вне зависимости от типа источников — стабильного или нестабильного во времени.

К первой подгруппе относятся бытовые и производственные предприятия. Их график нагрузки определяется мощностью используемого оборудования, работа которого зависит от производственных процессов и хозяйственно-бытовых нужд.

Выравнивание тока нагрузки за счет использования накопителей энергии у потребителя позволяет снизить потери электроэнергии в питающих объект линиях электропередач и трансформаторах [2]. В момент снижения нагрузки накопитель заряжается, в момент максимальной мощности — отдает накопленную энергию. Эффект от использования накопителя проявляется, если потребитель имеет собственную распределительную сеть, понижающие подстанции и накопители устанавливаются в непосредственной близости от энергоемкого оборудования. В этом случае эффективность применения накопителя может оцениваться аналогично применению компенсаторов реактивной мощности. Ведь применение и того и другого ведет к снижению полной мощности, передаваемой к нагрузке. Но компенсатор снижает только реактивную составляющую, а накопитель способен снизить и реактивную, и активную составляющие передаваемой энергии [3].

Максимальным эффект будет тогда, когда уровень мощности станет постоянным во времени. При таком режиме потери, определяемые среднеквадратичным значением передаваемой мощности, могут снизиться в пределе до половины.

Оценки статистических показателей изменения графиков мощностей проводились для различных потребителей, включая потребителей нефтяной отрасли. Как видно по результатам, снижение потерь от применения накопителей энергии в большей степени будет наблюдаться у потребителей, имеющих более высокий показатель коэффициента вариации по графику нагрузки. То есть чем больше разброс в величине нагрузки в течение периода оценки, тем больше эффект снижения потерь электроэнергии даст накопитель. По полученным значениям видно, что максимальный эффект будет у двух предприятий — около 30 %. Если потери по внутренним сетям составляют порядка 5 %, то снижение их произойдет до уровня 3,5 % (таб. 2).

Исходя из разницы средней и максимальной мощности рассчитывается требуемая мощность накопителя, а из графика — его емкость (рис. 2). Сравнение приведенных затрат, с учетом эксплуатационных расходов, со стоимостью сэкономленной на потерях электроэнергии даст оценку целесообразности применения накопителя энергии на рассматриваемом объекте.

Расчет системы электроснабжения какого-либо объекта изначально предусматривает пиковую мощность нагрузки, поэтому критическим такой момент не является. Исключение может составлять одномоментное включение нагрузки нескольких потребителей, подключенных к одной питающей системе электроснабжения на мощность, близкую к максимальной. Но такие ситуации носят вероятностный и, как правило, кратковременный характер и не способны привести к выходу из строя энергетического оборудования.

Снижение пиковой нагрузки имеет экономический эффект, только если предприятие переходит на двухставочный тариф (далее речь идет о потребителях, не относящихся к населению). В таком случае в пиковые часы должна контролироваться максимальная мощность и не превышать заявленного значения. Чем меньше будет уровень заявленной мощности, тем ниже ее стоимость, но тем больше вероятность превысить границу.

Установка накопителя энергии, который заряжается в ночной период и отдает энергию при пиковых нагрузках, будет иметь экономическую выгоду при условии:

Где:
P_нагр — фактическая мощность нагрузки, кВт;
P_заявл — заявленная мощность, кВт;
_Cм — цена за заявленную мощность;
K_НЭ — стоимость накопителя энергии;
T_Н — плановый период окупаемости накопителя, год;
Э — годовые эксплуатационные затраты на содержание накопителя электроэнергии, включая потери электроэнергии в установке.

В левой части неравенства рассчитывается годовой эффект от применения накопителя энергии. Показатель является интегральным, поскольку зависит от ценовой категории потребителя и режима работы предприятия в течение года. Мощность накопителя и его емкость рассчитываются исходя из разницы между заявленной (оплачиваемой) и фактически потребляемой мощностью и временем его работы.

По фактическому расходу электроэнергии за прошедший период можно оценить эффект применения накопителя. Для этого находится зависимость снижения затрат на покупку электроэнергии от разницы между двумя заявленными мощностями: без использования накопителя и с использованием накопителя. Так же находится зависимость мощности и емкости накопителя от той же разницы. И если графики экономии и приведенных затрат на накопитель пересекутся в пределах разницы мощностей, равной средней мощности нагрузки за расчетный период, или экономия будет превышать приведенные затраты, то можно найти оптимальный, экономически выгодный вариант применения накопителя энергии. В противном случае его использование для потребителя с рассмотренной позиции становится невыгодным.
По оценке экономической эффективности применения накопителей энергии на двух предприятиях мы видим что на первом предприятии экономическая эффективность отсутствует, а на втором предприятии экономическая эффективность достигается только при применении накопителей в определенном интервале снижения потребляемой мощности (рис. 3). При расчете экономической эффективности применения накопителей следует учитывать такие факторы как, режимы работы, потребляемую мощность и условия покупки электроэнергии.

В случае покупки электроэнергии по дифференцированному тарифу эффект от использования накопителя электроэнергии рассчитывается аналогичным образом. Снижение затрат на покупку электроэнергии будет достигаться за счет того, что будет снижена составляющая пиковых зон и повышена составляющая ночной тарифной зоны.

Перевод нагрузки между тарифными зонами не дает явной экономии электроэнергии для потребителя, поскольку задача такой рокировки — это снижение затрат на покупку электроэнергии. Однако любой тариф на электроэнергию включает в себя составляющую ее производства и передачи, то есть перевод нагрузки из пиковых зон снизит потери в системе внешнего электроснабжения и затраты на ее производство. Задача дифференцирования цен и состоит в том, чтобы простимулировать перевод процесса электропотребления из пиковых зон в другие, с меньшей нагрузкой [5].

Эффект от применения накопителей энергии в системах, где возможен возврат электроэнергии, то есть процесс рекуперации, как это бывает в системах тягового электроснабжения, зависит от способа утилизации сгенерированной энергии. Если имеется возможность возврата сгенерированной электроэнергии в систему внешнего электроснабжения и этот возврат идет в зачет такому субъекту, то эффект от накопителя будет аналогичным, как и описанный выше. Но для возврата электроэнергии во внешнюю сеть необходимо обеспечить надлежащее качество генерируемого напряжения и разрешение на этот процесс, что встречается только в теории. На практике возврат рекуперируемой электроэнергии во внешнюю сеть реализован в единичных случаях.

При отсутствии возможности передачи рекуперируемой электроэнергии во внешнюю сеть необходимо наличие нагрузки внутри сети, что на практике получается не всегда. Выходит, что применение накопителя позволит при любом раскладе принять избыток энергии от рекуперирующих установок и отдать энергию в моменты пиковой нагрузки.
Оценка эффективности для системы тягового электроснабжения проводится по критериям: снижение потерь в сети и экономия на покупке электроэнергии, но к ним добавляется еще увеличение степени использования энергии рекуперации [3]. Последний критерий может составлять вклад в эффективность использования накопителя больше, чем остальные.