Потребители энергии

Что же такое электроэнергия в экономическом смысле. Вот что это? По большому счету непонятно это товар или услуга, потому что по признакам материальности - это товар, а по признакам того, что электроэнергия потребляется в тот же момент, когда и производится, услуга.  

Особенностью электроэнергии является то, что ее нельзя запасти, электроэнергия не запасается. Даже когда кажется, что мы говорим о системах, которые запасают энергию, мы имеем дело с несколько более сложным процессом, мы ее преобразуем  в какой-то другой вид энергии, храним и потом преобразуем обратно, но сама электроэнергия не запасается. Не получается ее запасти. Помнить об этом стоит. Пожалуй единственный вариант, если быть совсем точным, это сверхпроводящие катушки и накопители, но это очень маленький объем и мощности. Поэтому не стоит говорить о них всерьез. И тогда если мы говорим о электроэнергии, как о товаре, то хочется вспомнить еще раз: а что же такое она для потребителя, что потребляет потребитель? Прежде всего потребитель потребляет те полезные эффекты, которые можно получить с помощью электроэнергии. Мы не питаемся электроэнергией, попытки подзаряжаться от розетки кончались, как мелкие неприятности. Я до сих пор помню, как на даче была открытая розетка и я в 3 годика попробовал подзарядится  электроэнергией. Впечатление осталось на всю жизнь. 

Электроэнергия не потребляется напрямую, и поэтому нам нужно, чтобы работали приборы. Электроприборы должны работать, поэтому нам нужно качество электроэнергии. Необходимо обеспечить, чтобы приборы могли работать. Для этого существуют стандарты качества электроэнергии. Частный случай того, чтобы приборы могли работать, это чтобы они не ломались. Это вторая часть качества, то, что обеспечивает  работоспособность самих приборов. Отсутствие таких искажений в форме электрического сигнала, которые приводили бы к досрочному износу или повреждению. Такие как пробросы высокого напряжения и неотфильтрованные помехи. Если у нас слишком высокое напряжение, это также приводит к тому, что приборы начинают работать хуже. Если у нас уходит частота, то часть приборов, которые связаны с электродвигателями, начинают работать хуже или перестают работать, потому что они настроены на частоту. Тут мы можем вспомнить явление резонанса и выхода из резонанса, как только мы выходим из допустимого диапазона частот, нужных эффектов от электроприборов уже не получим.

Нам хотелось бы, чтобы электроэнергия была доступна, чтоб мы имели возможность в нужный момент ее получить. Это означает, что возможность получить электроэнергию в нужном месте, в нужном количестве, определяет одно из качеств электроэнергетики, как системы. Еще нам хотелось бы, чтобы получение электроэнергии было предсказуемо, то есть не то, что сегодня есть - завтра нет. Поскольку мы не можем запасти ее и не можем положить ее в холодильник, нам нужно, чтобы она была тогда, когда нужно. Для этого необходима надежность электроснабжения. Вот три основных системных параметра, которые являются базой для понимания того, что такое электроэнергия для потребителя, и что такое энергетика в своем интерфейсе, в своем взаимодействие с потребителем. 

Сейчас появляются новые интересные моменты: часть потребителей приобретают экологическое самосознание и начинают говорить о том, что не любая электроэнергия годится. Возникают новые дополнительные запросы на то, как потребляется электроэнергия, что ведет к еще большему усложнению системы. Для того, чтобы разобрать базу, сложность системы с точки зрения потребителя, я хочу отметить крупный тип потребителей, их потребности, какие-то дополнительные особенности помимо того, что я перечислил. 

Прежде всего начнем с того, что близко и известно каждому из нас - это бытовые потребители. Нам нужно мало: нам нужно, чтобы электричество было в розетке. В этот момент нам совершенно не важно как, что и где происходит. Когда нам нужно, чтоб работал холодильник, телевизор, нам нужно чтоб они работали, но честно говоря мы можем немножко потерпеть. Поэтому какие-то кратковременные перерывы в энергоснабжении не приводят к большим проблемам. Холодильник может подождать немного, если его не открывать, он сохранит температуру и продукты. Стиральную машину можно запустить позже, погладить можно позже. Можно немного отдохнуть от сетей и телевизоров, мы можем это сделать без особенных проблем. Но, с другой стороны, для европейской части это не очень характерно. А у нас в Восточной Сибири интересный момент, у нас нет газового снабжения, поэтому для приготовления пищи нам тоже нужно электричество. И здесь перерыв в энергоснабжении начинает нас уже беспокоить, особенно если у нас есть маленькие дети. В этом отношении бытовые потребители - это баланс доступности и надежности, потому что если мы хотим большую надежность, то нам нужно сильно увеличить цену. Потому что развести электричество к каждому из нас  - это сложная задача, так называемая “тема последней мили”, тема распределения, тема приведения к огромному количеству разрозненных энергопотребителей электричества является важной. Разводка в здании, разводка в поселке, разводка в микрорайоне - все это достаточно сложная и трудоемкая история. Она трудно считается, и с точки зрения потребления электроэнергии эти потребителя являются статистически предсказуемыми. Они зависят от времен года, времени суток, погоды, и существуют потребительские пики такие как, например, в  жаркое время кондиционерные пики, в холодное время это отопительные пики, когда мы начинаем догревать тепло электрическими приборами от того, что нам не хватает тепловыми. Все тепловые энергии - это все, что идет через систему теплоснабжения. 

Существуют промышленные потребители - это различные заводы, сложные предприятия, и они бывают тоже очень разные: завод, порт и т.п. Разных промышленных потребителей много. В них сосредоточены крупные мощности на двигателях, например, механообрабатывающий завод, там много разных двигателей. А вот алюминиевый завод, например, потребляет больше тепловой энергии. Промышленные потребители имеют свои графики, свои договоренности, разный тип сменности работы. Некоторые предприятия имеют непрерывный цикл работы - это одна история для энергосистемы, есть те, которые работают в сменном режиме производства с неравномерностью, есть те, которые работают в одну смену. И они уже ближе к коммерческим потребителям к таким, как, например, банк, торговый молл, где фактически они имеют другую структуру и другой тип статистики потребления, но в какой-то мере больше похожи на бытовых потребителей. Но поведение при этом у них совсем другое, поэтому они выделяются в отдельную категорию. 

Еще важным типом потребителей со своими особыми потребностями, со своими особыми сложностями являются сельскохозяйственные потребители. Они характеризуются длинными линиями, большой удаленностью и разбросанностью поселков. Здесь возникает необходимость балансировать между напряжением, которое мы передаем электроэнергии, и теми потерями которые возникают, потому что иногда мы принимаем решение держать 30% потери на нагрев проводов, но при этом не строить линию в 35 киловольт вместо 10 киловольт. Просто строим линию почти на пределе напряжения. Но если мы превышаем линию определенной длины, нам нужно что-то делать. И у каждого напряжения есть своя критическая длина, дальше которой сколько вы не переедаете, вы все спустите в потери. Это экономически нецелесообразно. При этом стоимость линии растет с классом напряжения и достаточно сильно. Этот экономический баланс - это всегда длинные линии, разветвленные истории, и если в Европейской части России более менее плотная история, то в Сибири очень длинные сети. Это встреча с пределами пропускной способности линий электропередач, и это важная часть этих потребителей. При этом у них есть достаточно серьезные потребности в доступности и надежности электроснабжения. Если это, например, животноводческое хозяйство, то там эти моменты могут быть достаточно критичными, потому что будут проблемы если вы пропускаете время дойки, и будут сильные проблемы, если вы не можете обогреть птичник. Есть особенности у этого типа потребителей. 

Отдельно хотелось бы остановиться на особенностях потребления и оптимизации потребления. Прежде всего это связано с тем, что существует два важных типа потребления электрические машины и резистивные нагрузки.  В основном это нагревательные элементы, но часть из них это снабжение электронных устройств, которые работают на постоянном токе, на низких напряжениях. Стандартно в компьютерах или в технике 3, 5, 12, 19 Вольт, и поэтому для них не критичны какие-то параметры, связанные с напряжением и частотой. Но при этом они сами в силу своих особенностей начинают давать сильные высокочастотные помехи в сеть, и фактически у потребителей могут возникать какие-то их истории, которые тоже влияют на качество электроснабжения. Не только энергоснабжающая организация имеет влияние на качество энергоснабжения. Поэтому работа с потребителями, работа потребителей над качеством электроэнергии, над теми помехами, которые они генерируют в сеть, является очень важной работой. 

При этом если мы говорим о крупной тепловой резистивной нагрузке, то возникает тема регулирования. То есть фактически типы регулирования, потому что если мы работаем с большими гистерезисами, с менее точным регулированием, то у нас возникают пробои с вкл-выкл, а если вы помните, электроэнергию нужно балансировать. А с другой стороны, у нас есть электрические машины, которые характеризуются достаточно значительными пусковыми токами, то есть мощность в тот момент, когда электродвигатель запускается, кратно превышает мощность ее во время постоянной работы. И эти пики мощности тоже необходимо обслуживать, и особенности оптимизации систем связаны с тем, как мы работаем с пусковыми токами, с регулированием и одновременностью, и неодновременностью включения разных типов нагрузок. И в этом месте существует большой интересный пул работы, который ведется и со стороны потребителей. Так, например, для электрических машин существует частотный преобразователь, когда во время пуска резко увеличивается частота электрического тока и за счет этого можно снизить потребляемый ток. И в зависимости от типов потребителей для каждого из потребителей существует схема подключения, отбор мощностей. Она зависит от типов и от категории потребителя. В одной из лекций первого модуля мы уже говорили и том, что существуют разные классы потребителей. И они все связаны простыми вещами - насколько приятна наша жизнь. 

Потребители, где возникает непосредственная угроза жизни, относятся к первой категории. По схеме выдачи мощности там обязательно резервирование. По двум независимым линиям. Обрыв, авария на одной из подающих линий не должна приводить к тому, что у нас теряет энергоснабжение потребитель первой категории. Существуют потребители второй категории - это крупные заводы, там где потеря энергоснабжения является достаточно критичной, длительный перерыв невозможен, приводит к тому, что мы несем экономические, а иногда просто потерю оборудования. Прерывание электроснабжения для них является достаточно неприятной историей, поэтому возможно на короткое время. Они обеспечиваются достаточно хорошим резервированием мощности. Как правило, характеризуются сложной схемой отбора мощности, достаточно высоким напряжением. Иногда такие потребители могут питаться по высоким напряжениям 110 или даже 220 киловольт и иметь уже собственную внутреннюю систему распределения внутри предприятия. 

И существует третья категория потребителей, к которой относятся бытовые, сельскохозяйственные потребители, перерыв в энергоснабжении которых не является столь критичным, либо экономика поддержания их надежного электроснабжения по второй категории является нецелесообразным. При этом все равно какие-то особые нужды этих потребителей резервируются. Как правило, они сами заботятся о том, чтобы у них какие-то критические моменты все-таки решались. Поэтому тут возникает проблема резервной генерации на месте, дизель генераторов небольших, собственного энергоснабжения. Различные схемы собственного энергоснабжения тоже характерны для полной схемы отбора мощности или схемы подключения. 

Также если мы говорим о потребителях электроэнергии, является финансовая, или коммерческая часть, система сбыта энергии. И по нашему закону энергосбытовая компания сейчас отделена от генерации и распределения. И очень важным является то, что энергосбытовая компания собирает свой пул потребителей и дальше распределяет, закупленную на оптовом рынке, энергию, мощности потребителю. Часть потребителей работает со схемой потребления, где учитывается и предельная мощность, и потребленная энергия, а мы, как бытовые потребители, платим только за киловатт-час потребленной электроэнергии, ограничения мощности фактически заложено в саму схему энергоснабжения. Важным моментом является учет электроэнергии, тут возникает тема коммерческих потерь - это различные типы потребления неучтенной электроэнергии. 

В заключении хотелось бы остановиться на зеленой маркированной энергии. Маркированный киловатт-час. Это приближает нас к новой теме, когда энергия начинает очень плотное взаимодействие с информацией и начинает ходить в параллельных каналах. Это одна из тем интернета энергии, о которой будет рассказано в третьей части нашего курса. Но потребность потребителей тем не менее рождает этот спрос на маркированную электроэнергию, а информационные технологии позволяют нам это делать. В частности, новые типы потребления тоже появляются. Появляются новый тип потребления, который связан с майнингом и биткоином, с центрами обработки данных. И появляется новый тип потребления, который связан с электромобилем, который при неправильном использовании вообще-то является кошмарным для энергетики, потому что это потребитель большой мощности, который может появиться в любое время в любом месте. С этими особенностями новой энергетики вы также познакомитесь дальше.

Для размышления

Как осуществляется, по-вашему, задача производства, передачи и потребления “зеленого” киловатт часа?

Материалы

• Статья “Постоянный ток в розетке”
• Как Илон Маск решает энергетическую проблему Австралии
• Статья “Микрогриды швартуются в портах”