Штати Сонячного поясу, що простягаються від Джорджії до Аризони, повністю виправдовують свою назву, активно розвиваючи сонячну енергетику. Хоча Техас залишається беззаперечним лідером, інші регіони також демонструють стрімке зростання. Згідно з даними Управління з інформації про енергетику (EIA), за останній рік Міссісіпі збільшив обсяги сонячної генерації на 73%, а Луїзіана показала ще більш вражаючий результат із приростом у 90%.

Протягом останнього десятиліття енергосистеми досить успішно адаптувалися до такого швидкого розширення. Однак ці складні структури потребують технологічної підтримки для стабільної роботи в умовах дедалі більших обсягів нестабільної електроенергії. Для забезпечення стабільності мереж, насичених відновлюваними джерелами, інженери зазвичай інтегрують синхронні компенсатори — спеціальні двигуни-генератори. Попит на ці пристрої, які компанія GE Vernova вже впровадила в країнах від Великої Британії до Саудівської Аравії, зростає у всьому світі завдяки їхній здатності стабілізувати напругу та вирівнювати потоки потужності. Фахівці називають цей ключовий фактор стабільності інерцією, оскільки він забезпечує стійкість до коротких замикань та динамічну підтримку напруги. Інерція, попри свою назву, є саме тим, що необхідно системі.

Кілька років тому GE Vernova почала досліджувати додаткові рішення для підтримки стабільності мережі, використовуючи вже експлуатоване генеруюче обладнання. Результатом стало справді новаторське відкриття: газову турбіну серії 7F можна модернізувати для роботи в режимі синхронного компенсатора, зберігаючи при цьому її стандартні функції генерації. Минулого року компанія співпрацювала з комунальним підприємством на півдні США, щоб реалізувати пілотний проект такого типу, вперше застосувавши комбінацію «синхронний компенсатор–турбіна» в реальних умовах.

«Це прецедент», — зазначає Луї Вельтре, менеджер продукту для газових турбін серії 7F у підрозділі Gas Power компанії GE Vernova. «Наша команда, що працює з авіаційними похідними турбінами, може досягти подібного результату на менших установках, але це перший випадок застосування такої технології на повнорозмірній важкій газовій турбіні. Тому ми дуже зацікавлені в цьому проекті». Враховуючи широке використання таких великих турбін у світі, перспективи виглядають дуже обнадійливими для глобального ринку, який прагне додаткової економії коштів паралельно зі збільшенням частки відновлюваної енергетики.

Перетворення турбін на багатофункціональні активи

За словами Вельтре, ситуація стає ще цікавішою. Додавання цієї нової функції до серії 7F фактично залучає турбіни до іншого виду роботи саме тоді, коли сонячна генерація досягає піку, а вони зазвичай перебувають у простої. «Ці газові турбіни під’єднані до масивних генераторів, готових до роботи, які можуть допомогти стабілізувати мережу. Але коли сонячна активність висока, турбогенератори просто чекають команди на виробництво електроенергії. Тобто ви маєте чудові активи, які вже існують».

Під час проекту команда розглянула три різні рішення, але два з них, які передбачали встановлення муфти зчеплення, виявилися або дорогими, або трудомісткими, або ж поєднували обидва недоліки. Натомість було обрано шлях «без муфти», раніше розроблений GE Vernova. «Це шестимісячне дослідження було дуже спільним зусиллям», — каже Вельтре. «Ми визначили всі ризики, способи їх мінімізації та оцінили витрати. Зрештою, ми дійшли взаємної згоди, що варіант без муфти є найкращим підходом». Успішне тестування цього рішення проводилося на одній турбіні моделі 7F.05, створивши доказ концепції, який, за словами Вельтре, можна впровадити на інших об’єктах із турбінами 7F.05 у регіоні.

«Коли такий цінний актив уже доступний, головне питання полягає в тому, як найкраще використати його в різних умовах експлуатації, що виникають протягом дня», — зазначає Ренато Ябіку, менеджер продукту для синхронних компенсаторів у підрозділі Power Conversion and Storage компанії GE Vernova.

Ідеальний симбіоз

Нова можливість турбін ідеально вписується в реалії штатів Сонячного поясу, де вдень виробляється стільки сонячної енергії, що мережа не може впоратися з надлишком, і її доводиться обмежувати або марнувати. Це означає, що частину згенерованої електроенергії потрібно знижувати або втрачати, оскільки мережа не може використати її всю в конкретний момент часу.

Ябіку зазначає, що обмеження генерації може відбуватися з кількох причин. Іноді виробництво перевищує наявний попит. В інших випадках обмеження пов’язані з недостатньою стійкістю до коротких замикань, браком підтримки реактивної потужності або інерції в системі, що може перешкоджати мережі передавати доступну електроенергію. У таких випадках додаткова підтримка синхронного компенсатора — якщо існуючий газотурбінний генератор розташований у правильній точці мережі — може допомогти зменшити обмеження генерації.

Неможливість використовувати або продавати ці низьковуглецеві кіловати є реальною втратою як для економіки сонячної енергетики, так і для довкілля. Вельтре пояснює, що тут відбувається своєрідне диво, адже в майбутньому деякі комунальні підприємства зможуть живити ці модернізовані турбіни 7F надлишковою сонячною енергією.

Ось як це працює: коли турбіни 7F функціонують як генератори, вони спалюють природний газ. Але в режимі синхронних компенсаторів їм потрібна електроенергія. Виконуючи роль синхронних компенсаторів, турбіни 7F змінюють своє призначення, починаючи як отримувати, так і видавати реактивну потужність — неконтрольовані сили в енергомережах, які необхідно приборкати. При цьому вони працюють «без вогню» — без природного газу, без викопного палива, лише на електриці.

За словами Вельтре, існує ідеальне рішення для отримання цієї електроенергії: система потребує допомоги компенсатора, коли в мережі є надлишок сонячної енергії, але саме в такі моменти синхронні компенсатори можуть працювати на цьому надлишку. У регіонах з високою часткою відновлюваних джерел газові турбіни часто використовуються для забезпечення стабільності як генератори. Однак, зазначає Вельтре, зміна режиму роботи розкриває їхній потенціал для стабілізації мережі, роблячи їх ще ефективнішими.

«Це також підхід, який може значно зменшити викиди вуглецю», — каже Вельтре. «Тож замість спалювання палива для роботи газових турбін з метою підтримки напруги, ви можете використовувати сонячну електростанцію для приводу генератора, обертання газової турбіни та одночасного виробництва або поглинання реактивної потужності». Він додає, що будь-яке місце у світі, де частка відновлюваних джерел достатньо висока, щоб знижувати ціни на електроенергію до низьких або навіть негативних значень — Каліфорнія, Австралія, Близький Схід та деякі частини Європи — може стати кандидатом для впровадження цієї нової можливості.

Джерело