Применимость ветро-солнечной энергетики в качестве альтернативного источника электроснабжения нефтяных объектов компании

Источник: Журнал «PROнефть»

О.А. Туровин, Е.Н. Огнев, А.Е. Кочнев Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)

В настоящее время для электроснабжения нефтедобывающих объектов ПАО «Газпром нефть» при обустройстве отдаленных месторождений чаще всего применяются электростанции собственных нужд, использующие в качестве топлива нефтяной газ.

Руководствуясь корпоративным принципом «Безопасность и забота об экологии» и стремясь к постоянному совершенствованию путем поиска новых технологий, компания «Газпром нефть» рассматривает возможность использования альтернативной и экологически чистой электроэнергетики, основанной на преобразовании природной энергии ветра и солнца.

Среди альтернативных источников электроэнергии наиболее популярными в мире являются ветро-солнечные (гибридные) электростанции (рис. 1), с точки зрения надежности они более стабильны, чем ветровые или солнечные электростанции в отдельности [1, 2].


Рис. 1. Условная схема (а) и внешний вид (б) ветро-солнечной электростанции (ВЭУ – ветроэнергетическая установка)

Сочетание использования энергии солнца и ветра в данных установках позволяет в течение календарного года обеспечивать потребителей электроэнергией практически при любых погодных условиях.

— В пасмурную погоду или ночью, когда нет солнца, но есть ветер, основным источником электроэнергии являются ветрогенераторные установки.

— В солнечную погоду, когда ветер стихает, увеличивается доля выработки электроэнергии фотоэлектрическими панелями.

— В случае отсутствия благоприятных условий (например, пасмурная безветренная погода, ночное время суток без ветра) питание потребителей осуществляется от аккумуляторных батарей, входящих в состав электростанции. При достаточной ветро-солнечной активности, когда энергия потребителям поступает от ветрогенераторов и солнечных панелей, избыток вырабатываемой в это время электроэнергии запасается в аккумуляторных батареях и может расходоваться для покрытия дефицита мощности при неблагоприятных погодных условиях.

Ветро-солнечные электростанции имеют техническую перспективу использования в компании преимущественно в тех районах, где солнечные и ветровые потенциалы достаточно высоки для выработки электроэнергии. В большинстве регионов России среднегодовая скорость ветра не превышает 5 м/с. Ветровые зоны с наибольшим энергетическим потенциалом расположены в основном на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского п-ова до Камчатки. Около 30 % экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % – в Северном экономическом районе, около 16 % – в Западной и Восточной Сибири.

Потенциал использования солнечной энергии на территории нашей страны также неоднороден. Уровень солнечной радиации значительно варьируется: от 810 кВт⋅ч/м2 в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт⋅ч/м2 в год в южных районах. На уровень солнечной радиации оказывают влияние и большиесезонные колебания: на широте 55° солнечная радиация в январе составляет 1,69 кВт⋅ч/м2, июле – 11,41 кВт⋅ч/м2 в день. Условные зоны ветро-солнечной активности приведены на рис. 2 [1].


Рис. 2. Условные зоны среднегодовой ветровой (а) и солнечной (б) активности России

Таким образом, в России применение в составе автономного источника питания какой-либо одной из генерационных установок: ветрогенератов или фотоэлектрических панелей, может быть не всегда оправдано вследствие непостоянства и нерегулируемости источников возобновляемой энергии.

Применимость ветро-солнечной энергетики в качестве основного источника питания нефтяных объектов компании

В настоящее время проанализирована принципиальная возможность применения ветро-солнечной энергетики на нефтедобывающих объектах компании, где основными потребителями электроэнергии являются:

— высоковольтные электродвигатели насосных установок систем подготовки и транспорта нефти;

— высоковольтные электродвигатели насосных станций системы поддержания пластового давления;

— электродвигатели погружных насосных установок нефтяных и водозаборных скважин;

— система электрообогрева промысловых и магистральных трубопроводов;

— промышленные и ремонтные базы, вахтовые жилые поселки.

Компания предъявляет высокие требования к надежности и бесперебойности электроснабжения данной категории потребителей с целью: недопущения остановки и нарушения сложного технологического процесса, на восстановление которого в случае перебоев в электроснабжении необходимы большие временные затраты; предотвращения экологической катастрофы и опасности возникновения угрозы для жизни и здоровья обслуживающего персонала; исключения возможной остановки добычи и недоотпуска нефтяной продукции.

Для обеспечения требуемого уровня надежности электроснабжения потребителей в компании должны применяться взаиморезервируемые источники питания, обеспечивающие круглосуточное покрытие нагрузки в любое время года, а также стабильную подачу энергии при кратковременных увеличениях нагрузки в связи с пуском мощных электродвигателей.

Ветро-солнечные электростанции, рассматриваемые в качестве основных источников электроэнергии для объектов компании, должны обеспечивать надежность электроснабжения данных потребителей.

В настоящее время наиболее серьезными недостатками, ставящими под сомнение целесообразность применения ветро-солнечных электростанций в качестве основных источников питания, являются следующие.

— Ветро-солнечная энергетика относится к нерегулируемым источникам энергии, выработка электроэнергии которого напрямую зависит силы ветра и солнечного излучения (факторов, отличающихся большим непостоянством в регионах присутствия компании).

— Невозможность точного прогнозирования производства электроэнергии и изменения мощности электростанции.

— Необходимость использования земельных участков большой площади, в десятки раз превышающих площади для традиционных источников питания (например, удельная площадь для традициционных газопоршневых и газотурбинных электростанций составляет 0,06–0,08 га/МВт, для ветро-солнечных электростанций этот показатель достигает 1 га/МВт). Данное обстоятельство ведет к увеличению площадей земельного отвода, объемов инженерной подготовки в труднодоступных районах.

— Установленная мощность ветро-солнечной электростанции в несколько раз превышает необходимую установленную мощность традиционных источников при одинаковых подключаемых нагрузках. В составе ветро-солнечной электростанции необходимо предусматривать большое число солнечных панелей и ветрогенераторов, суммарная мощность которых в условиях непостоянства ветро-солнечной активности должна обеспечивать объекты электроэнергией в нормальном режиме и параллельно накапливать ее в блоках аккумуляторных батарей для гарантированного питания потребителей при неблагоприятных погодных условиях.

— Ветро-солнечные электростанции большой установленной мощности существенно отстают от традиционных источников по экономическим показателям. Сегодня удельная стоимость строительства электростанции на основе альтернативных источников энергии в России составляет ориентировочно 100–120 млн руб/МВт, что в компании соизмеримо с удельной стоимостью строительства ГТЭС, равной 90–110 млн руб/МВт. Однако при соизмеримой удельной стоимости существенное увеличение общей стоимости строительства альтернативных электростанций возникает вследствие того, что их установленная мощность и число единиц генерирующего оборудования значительно превышают показатели традиционных источников.

— Применение ветро-солнечных электростанций в качестве основного источника питания энергоемких нефтяных объектов потребует дополнительных затрат на утилизацию нефтяного газа, ранее предполагаемого к использованию для выработки электроэнергии на газовых электростанциях.

В качестве примера в таблице приведены результаты краткой технико-экономической оценки применения ветро-солнечной электростанции в качестве основного источника питания для объекта с условной нагрузкой 1 МВт в сравнении с применением газопоршневой электростанции. Оценка была выполнена для двух электростанций, расположенных в разных регионах страны с разными показателями ветровой и солнечной активности: район г. Ноябрьска (ООО «Газпромнефть – Ноябрьскнефтегаз») и о. Сахалин (ООО «Газпромнефть - Сахалин»).

Проведенная оценка позволяет сделать вывод о том, что в настоящее время применение ветро-солнечных электростанций в качестве основных источников питания энергоемких объектов нефтяных месторождений по технико-экономическим показателям является нецелесообразным.

Параметры Электростанция
ветро-солнечная газопоршневая
г. Ноябрьск о. Сахалин г. Ноябрьск о. Сахалин
Установленная мощность, МВт 16 10,6 2,5 2,5
В составе генерирующего оборудования, число:
солнечных панелей мощностью 300 Вт
20000 15000
ветрогенераторов мощностью 200 кВт 50 31
 газопоршневых электроагрегатов мощностью 500 кВт 5 5
Площадь, га 16 10,6 0,15 0,15
Капитальные вложения, млн руб. 1560 1040 220 220

Применимость ветро-солнечных установок малой мощности для удаленных вспомогательных объектов

Несмотря на существенное преимущество традиционных источников питания по сравнению с ветро-солнечными для энергообеспечения крупных потребителей, использование альтернативных источников энергии может стать наиболее рациональным и экономичным решением для объектов небольшой мощности (от 1 до 10 кВт), удаленных от основного источника питания на десятки и сотни километров.

В настоящее время как вновь открываемые, так и разрабатываемые месторождения часто находятся в удаленных и труднодоступных районах. В связи с этим возникает необходимость строительства протяженных трубопроводов для транспорта добываемых углеводородов до точек сдачи в существующие трубопроводные системы. Сложившаяся в последние годы конъюнктура рынка для сохранения и обеспечения рентабельности разработки месторождений требует поиска решений по оптимизации затрат на строительство и эксплуатацию производственной инфраструктуры.

В качестве одного из вариантов оптимизационных мероприятий рассматривается применение ветро-солнечных электростанций малой мощности для автономного электроснабжения линейных объектов с небольшой нагрузкой электроприемников (1–10 кВт), таких как [1, 2]:

— площадки электрифицированных узлов запорной арматуры на трубопроводах внешнего транспорта нефти и газа;

— станции электрохимической защиты от коррозии;

— системы обнаружения утечек транспортируемой среды;

— станции линейной телемеханики и связи.

Традиционно электроснабжение линейных потребителей трубопроводов выполняется от вдольтрассовой высоковольтной линии ВЛ 6(10) кВ с установкой в районе расположения электропотребителей комплектных транформаторных подстанций КТП 6(10)/0,4 кВ. Протяженность ВЛ в большинстве случаев равна протяженности трубопроводов и может составлять как десятки, так и сотни километров. В случае применения автономных источников питания (АИП) строительство протяженных высоковольтных электрических сетей не требуется, так как АИП малой мощности размещаются в непосредственной близости от электроприемников на единой либо смежной площадке. Основные типы ветро-солнечных энергоустановок малой мощности приведены на рис. 3.


Рис. 3. Типовые ветро-солнечные энергетические установки малой мощности, применяемые в России

По результатам технико-экономических расчетов, выполненных ООО «Газпромнефть НТЦ» в рамках концептуальных проектов обустройства месторождений компании, выявлен ощутимый потенциал экономии совокупных затрат на строительство системы электроснабжения линейных объектов при применении АИП на базе ветро-солнечных электростанций малой мощности по сравнению с использованием ЛЭП. В частности, для электроснабжения линейных объектов нефтепровода внешнего транспорта с месторождений проекта Чона и системы транспорта жидких углеводородов проекта «Сахалин-3» потенциальная экономия совокупных затрат составила более 1 млрд руб. за счет применения альтернативных источников питания вместо традиционных вдольтрассовых ВЛ.

Однако, несмотря на экономическую привлекательность использования альтернативной энергетики для электроснабжения линейных объектов, у данного направления также имеется ограничение. Прежде всего, это природно-климатические условия района строительства объектов. В регионах распространения многолетнемерзлых грунтов прокладка трубопроводов предусматривается, как правило, в надземном исполнении с системой электрообогрева, мощность которой может достигать нескольких мегаватт. Для подключения КТП системы электрообогрева в данном случае наиболее целесообразно использование централизованного электроснабжения с передачей электроэнергии по вдольтрассовой ВЛ, к которой также могут быть подключены и линейные потребители. Стоимость строительства АИП на базе ветро-солнечных электростанций генерируемой мощностью не менее 1 МВт в настоящее время существенно выше, чем стоимость строительства традиционной системы электроснабжения.

Таким образом, одним из наиболее вероятных направлений применения ветро-солнечных электростанций малой мощности в компании является вспомогательная инфраструктура трубопроводов внешнего транспорта нефти преимущественно подземной прокладки, не предусматривающих в технологическом режиме работы использования системы электрообогрева.

Заключение

Оптимальным вариантом применения ветро-солнечных электростанций на объектах компании является их использование в качестве АИП удаленных линейных объектов небольшой мощности (электрифицированных узлов запорной арматуры подземных трубопроводов внешнего транспорта, станции электрохимической защиты, станции линейной телемеханики и связи и др.).

Учитывая непрерывное улучшение технических характеристик создаваемых генерирующих установок на базе возобновляемых источников энергии [3, 4], требуются постоянный мониторинг развития данного направления и ежегодная актуализация оценки применимости таких установок на объектах компании.

Список литературы

1. Голубев С.В. Возобновляемые источники энергии в энергетике газовой отрасли. Перспективы и аспекты применения ВИЭ на объектах ПАО «Газпром» //Газовая промышленность. – 2016. – № 12/746. – С. 72-76.

2. Инновационные решения в создании информационно-управляющей системы линейной телемеханики конденсатопровода «Юрхаровское месторождение – Пуровский ЗПК»/Р.М. Минигулов, Г.Б. Грибанов, А.Р. Степанов [и др.]// Сфера нефтегаз. – 2011. – № 3. – С. 36-38.

3. Aerogreen: перспективы развития ветро-солнечной энергетики/В.В. Федчишин, А.С. Данилова, И.И. Разнобарский, К.В. Забелина//В сб. Технико-экономические проблемы развития регионов: материалы научно-практической конференции с международным участием. – Иркутск: Иркутский национальный исследовательский ун-т, 2015. – С. 77-85.

4. Григораш О.В., Корзенков П.Г. Автономные системы электроснабжения на возобновляемых источниках энергии// Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – 2013. – № 93. – С. 646-658.


Авторы статьи:  О.А. Туровин, Е.Н. Огнев, А.Е. Кочнев Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)
Источник:  Журнал «PROнефть»

Возврат к списку