Новости о распространении электрокаров, выходе на маршруты электробусов и «автономных» троллейбусов, строительстве солнечных электростанций и других альтернативных энергетических проектах стали обыденностью. Службы такси на электромобилях есть уже и в Житомире, а свисающие с окон хрущевок удлинители для подзарядки – норма и для небогатых районов. И очевидно, как с многими массовыми инновациями, рано или поздно количество перейдет в качество.
Первый такой энергетический скачок в городах произошел в начале ХХ века, когда массово распространялись электрические трамваи и освещение, а вскоре спрос на ток появился и у промышленности.
И как тогда электрическая централизация совершила революцию в энергетике, так и вскоре на основе инноваций может возникнуть принципиально новая система – распределенной генерации и сохранения энергии. «Большой Киев» разбирался, что же может принести городам новый бум энергетических инноваций и как это может быть в Киеве.
Централизация энергосети: как Киев оброс проводами
Вскоре на основе инноваций может возникнуть принципиально новая система – распределенной генерации и сохранения энергии
Первая электрическая лампочка засветилась в Киеве в 1878 году – инженер Александр Бородин привез генераторы Грамма с Парижской всемирной выставки и разместил в цехе Главных железнодорожных мастерских. В 1886 году электрическое освещение появилось в увеселительном саду «Шато-де-Флер», впоследствии – в домах богатых горожан. Однако только в 1890-м был заключен концессионный договор с обществом «Савицкий и Страус» на создание первой городской электросети.
Параллельно Общество Киевской городской железной дороги в 1890-1891 годах проводило эксперименты с запуском сначала конного, а затем парового трамвая – однако для Киева они оказались слабоваты из-за крутых уклонов. Весной 1892 года состоялись успешные испытания электрического трамвая по Александровскому (ныне Владимирскому) спуску, а в последующие годы город наполнился звоном трамваев в самых разных районах.
Сперва для осветительной системы и трамвайного хозяйства строились отдельные небольшие электростанции, причем в центре города – на Почтовой площади, у Оперного театра, на нынешнем Майдане Незалежности…
С объединением трамвайной и осветительной сетей в начале 1920-х начала формироваться полноценная энергосеть, однако еще долгое время трамвайщики занимались электрогенерацией
В конце 1898 года была открыта первая Центральная электростанция (на улице Андреевской, здание сохранилось), рассчитанная и на освещение, и на трамвайную сеть, и на промышленность. В 1905 году Киевское электрическое общество продавало электроэнергию более чем 200 предприятиям…
С объединением трамвайной и осветительной сетей в начале 1920-х начала формироваться полноценная энергосеть, однако еще долгое время трамвайщики занимались электрогенерацией: действовали электростанции на Почтовой площади (сейчас – здание департамента транспорта), на Лукьяновской площади (здание сохранилось, реконструируется под часть будущего ТРЦ) и в Пуще-Водице.
Также действовали небольшие электростанции – Лаврская, Демиевская и Слободская (на Никольской Слободке – в районе «Левобережной»), которые в 1925 году переделали в электроподстанции с питанием от Центральной электростанции, а Святошинская локомобильная станция законсервирована и со временем разобрана. Все эти электростанции, кроме Лаврской, также были трамвайными – они принадлежали частным Слободкому, Демиевскому и Святошинскому независимым трамвайным системам.
В 1960-х, со строительством больших электростанций, начинается постепенное объединение энергосистемы уже на уровне государства.
На сегодняшний день действует Единая электроэнергетическая система, объединяющая постсоветское пространство и интегрированная с энергосистемами Восточной и Центральной Европы. Городские же электростанции были перестроены в подстанции, теплостанции, город утратил контроль за энергосетью…
Неудобные потребители: как люди создали часы пик
Изначально потребление электроэнергии было довольно прогнозируемым: днем – промышленность, вечером – освещение, ну и некоторые пики – из-за электротранспорта.
Однако в связи с ростом доли потребления домохозяйствами все больше сказываются пиковые нагрузки – на самом деле жизненные ритмы горожан. Мы примерно в одно время готовим завтрак, едем на работу и возвращаемся домой, ужинаем – а еще стираем, охлаждаемся кондиционерами, находясь дома, включаем обогреватели в холод…
Рост количества потребителей электроэнергии хотя и сопровождается повышением энергоэффективности (LED-лампочки, экономичные холодильники и т. д.), однако пиковые нагрузки растут, ведь в домах теперь не только «лампочки Ильича», а десятки электроприборов. А тут еще удлинитель из окна выбросят, чтобы электромобиль подзарядить…
Многозонные счетчики уже доступны и киевлянам
Впервые проблему анализа энергопотребления начали решать еще в 1980-х – появились так называемые «интеллектуальные счетчики», которые постоянно передавали данные в энергокомпании. Это – мониторинг, а следующий уровень – управление потреблением. Самый известный способ – разные тарифы по времени, и многозонные счетчики уже доступны и киевлянам. Ночью дешевле – а это стиралки, обогреватели…
Но что включать в «счастливые часы» – решение все же пользователей. Дальше – «умные» розетки, системы, которые включают и выключают устройства в зависимости от уровня нагрузки и согласно программе.
«Умные» сети сглаживают пиковые нагрузки, экономят деньги горожан и энергию
Это – энергетический «умный дом», объединение их в сети дает сглаживание пиковых нагрузок, экономию денег горожан и энергии. Такие «умные» сети получили распространение в США, Китае, Италии и других странах мира, но это пока еще только о потреблении.
А тут появились массовые электромобили. Пока их немного, их влияние на энергосеть почти незаметно, однако если распространятся «быстрые» зарядки – это может привести к местным блэкаутам. Конечно, можно использовать управление потреблением – «умные» зарядки, которые доступны только в определенное время, а также планы потребления для нескольких зарядок – когда они работают по очереди.
Впрочем, у электромобилей оказалась еще одна возможность: машины нового поколения могут отдавать энергию в сеть, т. е. служить сетевыми аккумуляторами!
Распространение «быстрых» зарядок для электрокаров может привести к местным блэкаутам
Добавим сюда «домашние» аккумуляторы «Тесла» (а уже – и других производителей), рассчитанные как раз на накопление энергии в ночные «счастливые часы» дешевого тарифа, всевозможные устройства микрогенерации – солнечные батареи, ветряки и прочее – и получается уже многостороннее взаимодействие, «умная» сеть SmartGrid.
Так, модернизация энергосети города – уже не просто повышение мощностей, но и постоянные потоки данных, а также целый энергорынок – и потребителей, и производителей, и «хранителей» энергии. Это уже не электростанция, провода и лампочки/моторы, а тысячи активных участников. И это – рынок.
Электодецентрализация: как город становится энергорынком
В современных городах подход SmartGrid – одна из ключевых составляющих концепции SmartCity, это можно даже назвать вторым уровнем «умного» города – когда внедряется интеллектуальное управление не только информационными, но и энергетическими потоками. И это меняет все сферы – и инфраструктуру, и управление энергосетью.
Где лучше всего заряжать электромобили, чтобы с одной стороны сбалансировать энергосеть, а с другой – все же отучать от автомобиле(электромобиле)пользования: ведь электрокары создают заторы с тем же успехом, что и машины «традиционной энергетической ориентации»? Здесь-то стоит вспомнить, с чего начиналась городская электросеть, энергосистема городского общественного электротранспорта.
В современных городах подход SmartGrid – одна из ключевых составляющих концепции SmartCity
Трамвайно-троллейбусное и метрополитеновское хозяйства – это не только вагоны, депо, рельсы и станции, это и сложнейшая энергосистема, которой приходится справляться с пиковыми нагрузками: утром и вечером транспорта больше, а ночью вовсе нет. Подстанции расположены в разных районах города, при этом ночью они практически не используются. А если соединить подстанцию и паркинг – получим ту самую массовую зарядку для электромобилей!
Как могут работать такие энергопаркинги? Такие площадки, размещенные у станций метро и крупных пересадочных узлов, это, по сути, перехватывающие паркинги. Так получается двойная выгода: люди оставляют машины и пересаживаются на общественный транспорт, а в это время осуществляется зарядка батарей электрокаров. Если «поиграть» тарифами на электрику – получим еще большее стимулирование оставлять машины на энергопаркингах ночью, а не по дворам.
А дальше – еще интересней. В среднем автомобиль используется 4% времени, все остальное время он стоит. Так электромобили с возможностью отдавать энергию в сеть становятся «городскими аккумуляторами» – их владельцы вполне могут зарабатывать на хранении энергии, «выбрасывая» ее на энергорынок города во время пиковых нагрузок. Конечно, в таком случае придется в час пик воспользоваться общественным транспортом – но ведь город этого и добивается, чтобы разгрузить дороги!
Владельцы электромобилей могут зарабатывать на хранении энергии
Технологию Vehicle to Grid (V2G) уже тестируют автопроизводители: по подсчетам специалистов Nissan, которые уже развернули несколько пилотных проектов в Дании и Великобритании, владелец электромобиля может заработать в месяц до 1300 евро. Правда, не стоит забывать про ресурс аккумулятора – однако они чем далее, тем выдерживают больше перезарядок.
К этой энергосети добавим муниципальное уличное освещение – в связи с заменой на LED-лампы энергопотребление падает, а введение интеллектуальных систем у правления SmartGrid и интеграция с энергосистемой общественного транспорта может существенно сократить издержки. Также город может добавить свои аккумуляторы энергии и микрогенерацию (солнечные батареи на крышах школ и больниц, мусоросжигательные заводы, ветряки) – тогда получатся не локальные проекты, а появится настоящая энергосеть.
Для хранения энергии можно использовать гравитационные аккумуляторы
Используемые в электромобилях химические аккумуляторы имеют ограниченный ресурс, однако это не единственный способ хранить энергию. Гравитационные аккумуляторы давно используют для выравнивания пиковых нагрузок, однако пока только на больших ГАЭС (гидроаккумулирующие электростанции), одна такая расположена под Вышгородом.
Компактная версия – классическая водонапорная башня, которую можно набирать водой в ночные часы, а подключать к системе (но уже водоснабжения, в помощь насосам!) в пиковые часы. Да, это интеграция еще и системы водоснабжения в общее дело энергосбережения.
Есть и довольно оригинальные гравитационные системы: так, в штате Невада устроена железная дорога, по которой тяжелая тележка поднимается на гору за счет энергии ветряков, а когда они не вертятся – скатывается вниз, вырабатывая электроэнергию. Второй очередью системы ARES запланировано спускать с горки 17 четырехвагонных поездов с бетонными блоками…
Еще одна технология – электромеханические аккумуляторы, супермаховики.
Еще одна технология накопления энергии – электромеханические аккумуляторы, супермаховики
Такие системы с раскрученными до огромных скоростей дисками, часто подвешенными в вакуумной среде, уже сегодня показывают коэффициент полезного действия свыше 90%. В 1970-х даже создали экспериментальные гиробусы, где маховики использовали для накопления энергии.
Но если для транспортных средств это создает некоторые проблемы («эффект юлы», который мешает поворачивать), то как стационарный аккумулятор куда привлекательнее химических батарей. В США появились такие системы хранения энергии в виде 17-тонных контейнеров, они могут отдавать порядка 1,7 МВт энергии. Пока такие технологии не получили распространения из-за дороговизны, но над этим работают.
Появляются и альтернативные источники генерации энергии. Например, мы уже привыкли к детским кроссовкам и самокатам, которые светятся при передвижении – хотя никаких батареек там нет.
Пьезоэффект – выработка электричества от сжатия – уже используется на тестовых «дорогах будущего» в Калифорнии, энергия вырабатывается от давления автомобилей над дорожное полотно.
Есть и эксперименты с ветряками, которые «ловят» быстрые потоки воздуха между встречными автомобилями на шоссе…
…Все эти интересные решения должен кто-то реализовывать – кто имеет мотивацию. Будут ли этим заниматься «большие» энергокомпании – вопрос, им-то вряд ли интересно меньше продавать. А вот город, содержащий инфраструктуру, – главный интересант таких решений. Хотя и «энергогиганты» в Украине ставят многозонные счетчики с «ночным тарифом» – уж слишком дорого обходятся пиковые нагрузки.
Пока понятие «энергетическая политика города» редко распространяется дальше замены окон и ламп освещения, однако современные энергетические вызовы для городов порождают необходимость муниципальной институции. Собственная генерация, системы хранения энергии, сети электромобилей, местный энергорынок – и все это с современными технологиями. А пока у городов – только сети электротранспорта, как и сто лет назад. История повторяется.