«Розмазати генерацію тонким шаром»: як Харкову стати енергонезалежним
Російська армія продовжує атакувати українську енергетику. У листопаді в Харкові стався перший цієї осені блекаут. Удари агресора направлені на ТЕС, вузлові підстанції, трансформатори. Про енергосистему України, тактику агресора, підготовку до блекаутів та перспективи розподіленої генерації у Харкові «МедіаПорту» розповів Артем Чернюк, завідувач кафедри електротехніки та електроенергетики Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна. Далі — пряма мова.
Як працює «один котел»: структура об’єднаної енергосистеми України
Енергосистема України є об’єднаною, усі генератори працюють синхронно на один «котел», одну систему. Основними елементами енергосистеми України є засоби генерації електричної енергії, засоби її перетворення, передавання, розподілу і споживачі. Коли ми кажемо про процес генерації і процес споживання електричної енергії, слід чітко розуміти, що це не два окремі процеси, це один процес, який неможливо розірвати.
Процеси в енергетичній системі відбуваються дуже швидко, тому що електрони рухаються зі швидкістю світла. Таким чином позитивний ефект у тому, що будь-яка електростанція може заживити будь-якого споживача, приєднаного до об’єднаної енергосистеми. Але з іншого боку, захист наших енергетичних об’єктів повинен бути налаштований релейним захистом, автоматикою, тому що людина фізіологічно не встигає за такими швидкоплинними процесами.
«Енергоатом» відповідає за генерацію на атомних електростанціях. НЕК «Укренерго» — це системоутворювальні мережі, які об’єднують усі частини нашої країни в єдине ціле. «Харківобленерго», інші обленерго, ДТЕК — це оператори розподілу електричної енергії. Вони вже беруть електричну енергію від системоутворювальних мереж і розподіляють її до споживача, тобто до кожної розетки у нас вдома.
Мережі 750 тисяч вольтів, 500 тисяч вольтів, 330 тисяч вольтів, частково 220 тисяч вольтів є системоутворювальними. Вони налаштовані на те, щоб великі обсяги енергії передавати на великі відстані. Великі відстані — сотні або тисячі кілометрів. В Україні найвища напруга — 750 тисяч вольтів. Вони потужні, але їх небагато. Це транспортно-енергетичні коридори, які дозволяють нам передавати великі обсяги енергії на великі відстані.
Їх небагато, тому що в них не було такої потреби. Виробили електричну енергію на атомних електростанціях, вона прийшла в який-небудь регіон на вузлову підстанцію з високою напругою, там напруга зменшується, наприклад, до 750, 330. Далі 330 — розподілили по області. Далі приходить на район, 330 перетворюється на 110, вже 110 розподіляє по району.
Міські електричні мережі — переважно напруга 6-10 тисяч вольтів. І вже наші підстанції, які стоять у дворах, як трансформаторні будки, перетворюють 6 або 10 тисяч вольтів на звичні нам 380, 220, зараз 230 номінал у нас розетках. Це напруга нам звична.
Таким чином наші мережі мають багаторівневу і розгалужену структуру. Чим нижча напруга, тим більш розгалужена мережа. Чим вища напруга, мережа не така розгалужена. І зараз ми бачимо, що ворог намагається цим скористатися — вибити менш розгалужену мережу.
У Харкові три підстанції 330 тисяч вольтів, по яких ми можемо отримати енергію здалеку, умовно кажучи, з-за Дніпра. Або з центральної України, а центральна вже отримує з-за Дніпра. Тобто вони нам передадуть свою генерацію, а самі будуть отримувати з атомних електростанцій, а якщо не вистачить, то західна Україна буде отримувати з Європи. Приблизно такий ланцюг енергоживлення нашої країни можливий.
Наша генерація зараз суттєво побита: Зміївська ТЕС, ТЕЦ-5. Підстанції також потрапляють під удари. У нас генерації немає, тому ми беремо там, де вона є.
Як змінилася російська тактика
Вони [росіяни] і минулого разу не лише генерацію намагалися вибити, а саме відрізати Харків від іншої енергосистеми нашої країни. Зараз є певна зміна тактики, яка полягає в наступному: вони набагато більше б’ють по одному об’єкту, тобто вибивають його вщент.
По Зміївській ТЕС були дуже багато прильотів. Або, наприклад, те, що є в загальному інформаційному полі, — підстанція у Шостці Сумської області, дуже багато прильотів.
Раніше вони намагалися бити по ключових точках, мабуть, сподівалися, що буде певна каскадна аварія, що призведе до блекауту всієї країни. Цього не відбулося. Наші героїчні енергетики почали застосовувати превентивні відключення. Коли йде ракетний обстріл, система роз’єднується, ми чекаємо, коли прильоти закінчаться, фіксуємо втрати і потім збираємо систему по-новому. Тепер вони [росіяни] переходять на те, щоб фізично знищувати об’єкти, які дорого коштують, які складно відновити. А це передусім генерація, енергоблоки теплових електростанцій і трансформатори вузлових підстанцій. Це найкоштовніший елемент на підстанції — можна сказати, «серце» підстанції — це її трансформатор.
Основою генерації теплової електростанції є котел, у якому спалюється паливо, теплова турбіна, яка перетворює енергію гарячої пари на енергію обертання, і генератор. Це чотири, найдорожчі, напевно, об’єкти на тепловій станції. Можна котел вибити — такі прильоти в нас були, на жаль. Можна вибити турбіну, генератор, або трансформатор, або все це вибити. Усі ці об’єкти дуже дорого коштують і відновити їх буде достатньо складно. На підстанції — це трансформатор. Вибивати самі лінії електропередавання немає такого великого сенсу, тому що вони швидко відновлюються. Тому вони [росіяни] намагаються поцілити саме в коштовне обладнання, яке замінити складно.
Той результат, якого вони досягають, нівелюється темпом відновлення наших енергетичних об’єктів, резервуванням й оперативним мистецтвом наших диспетчерів, усіх хлопців, дівчат, які працюють в енергетиці. Ми бачимо, що ці удари стають дедалі більш масованими й комбінованими.
Об’єднання з енергосистемою ЄС
Певну перебудову енергетики ми вже зробили, коли об’єднувалися з європейською енергосистемою. 16 березня 2022 року ми об’єдналися з європейською енергосистемою і зараз споживаємо від них енергію, а у вересні ми ще видавали їм енергію. Зараз, у жовтні та листопаді, ми вже є реципієнтами — нам власної генерації не вистачає. Це ми можемо бачити за статистикою транскордонних перетоків електричної енергії.
За 10 діб листопада це нас виручило на 112 ГВт-годин електричної енергії. Але знов-таки наш зв’язок з європейською енергосистемою йде по лініях електропередавання. Є таке поняття як пропускна спроможність лінії електропередавання. Більше певної кількості енергії лінія не передасть. Тобто в нас є певний ліміт, скільки енергії ми можемо взяти із заходу до себе, і він визначається саме потужністю, розгалуженістю, пропускною спроможністю наших мереж. А потім по мережах треба цю енергію передати на схід. Звісно, енергія тече шляхом найменшого супротиву, і та енергія, яка заходить з Європи, вона переважно розподіляється на західній Україні, а генерація західної України передається на схід. Такий утворюється ланцюжок.
Таким чином ми можемо відновлювати баланс західної України за рахунок Євросоюзу, а генерацію західної України передавати на східну. Але ми впираємось у працездатність наших мереж, які потерпають від воєнного впливу.
Люди, які сидять без світла і раптом бачать, що ми продаємо електричну енергію, не розуміють: «Чому ж мені її не дали?». Її не дали, тому що мережа може не пропустити. Коли ми кажемо про генерацію на теплових і атомних електростанціях, то ці станції є неманевровими, тобто їх неможливо миттєво запустити і зупинити. Щоб запустити атомний блок або блок теплової електростанції, потрібні години, а буває так, що запуск триває і більше доби.
Тобто її треба запустити (якщо теплова, то котел, якщо атомна — то реактор), отримати тепло, прогріти турбіну, розгорнути її, розвернути на номінальні оберти, потім синхронізувати генератор і потім видавати електричну енергію в мережу. Неможливо так, що пів доби ми видаємо енергію, а потім її припиняємо видавати. Якщо так трапляється, що цю енергію ніхто не буде споживати, то станція переходить у так званий гарячий резерв, коли агрегати обертаються, паливо витрачається, а генерація електричної енергії не відбувається. Це економічно недоцільно.
Якщо за умов воєнних ударів певні споживачі відсіклися від засобів генерації, а засоби генерації продовжують працювати стабільно, то є розумним цю енергію продати за гроші. За ці гроші потім робити щось корисне для нашої енергосистеми, а там багато чого нам треба робити. Тобто сам факт фізичних перетоків і того, що ми даємо енергію комусь, не є ніякою корупційною ознакою. Але якщо ці гроші потім йдуть не туди, куди потрібно, то це вже інша справа.
Реакція на можливу корупцію в енергетиці
Це не моя експертна площина, це фінансово-юридичні аспекти. Звісно, ми сприймаємо це [інформацію про можливу корупцію] негативно, тому що, коли в країні війна, не вистачає грошей або вони використовуються щонайменше неефективно, а якщо це взагалі корупція, то такі новини не можуть залишити нас спокійними.
Зважаючи на те, як важко дається нам технічне переоснащення наших енергетичних систем, енергетичних об’єктів…
І якщо ці рішення були прийняті людьми, які мають недостатній технічний рівень розуміння, як ці кошти потрібно було витрачати, це одна справа. Якщо це навмисно були корупційні дії, звісно, це неприпустимо. Проте коментувати, що це корупція чи не корупція, — хай розбирається слідство.
АЕС та ризики
Якби не АЕС, у нас би могли всю енергетику покласти. Вони не б’ють по АЕС, тому що це ядерна катастрофа, це міжнародна репутація, це неприйнятно навіть для такої країни-агресора, як росія. Зараз атомні електростанції видають понад половину енергії, яку ми споживаємо. І потужностей атомних електростанцій, якщо ми не говоримо про економіку, промисловість і бізнес, а забезпечення гуманітарних аспектів України, вистачить.
Вони [росіяни] намагаються вибити вузлові підстанції, щоб станція працювала, але не було кому видати цю енергію. Такі намагання в них є, і певні плани, я розумію, на це також є. Треба звертатися до міжнародної спільноти. Раптове знеструмлення атомної електростанції, тобто скид навантаження, дуже негативно відзначається на технологічному процесі АЕС і може призвести до нештатних режимів роботи.
І якщо ці удари будуть явно видимими, що вони б’ють по найближчих до атомних станцій підстанціях, то треба порушувати питання, що вони наражають атомні об’єкти на енергетичну катастрофу. Будь-яка реакція міжнародної спільноти є недостатньою, доки триває війна в нашій країні.
Стан, що абсолютно неприйнятний, це коли, наприклад, взагалі немає ППО, і тоді вони [росіяни] це роблять легко і просто: кількість об’єктів для ураження не є нескінченною, їх можна вибити. Вони вибивають усю генерацію сходу, а потім відрізають його від заходу. Якби ППО у нас було ідеальне, звісно, вони нічого не можуть зробити. Зараз є певний проміжний варіант. Вони намагаються, ППО працює, вони не досягають 100% результату. Той результат, якого вони досягають, нівелюється темпом відновлення енергетичних об’єктів, резервування й оперативним мистецтвом наших диспетчерів, енергетиків.
Погодинні та аварійні відключення
Зараз є певний дефіцит електричної енергії загалом. Усім не вистачає. Тому, коли ми говоримо про погодинні віялові відключення, то ми говоримо про те, що ми не можемо скласти баланс виробленої та спожитої електричної енергії.
Віялові відключення зумовлені тим, що загалом не вистачає генерації в країні або в регіоні. Тобто в країні може вистачати, але, зважаючи на пропускну спроможність ліній, в конкретному регіоні може не вистачати.
Це якби вдома, наприклад, в одну розетку увімкнути всіх споживачів — вона у вас згорить. Якщо весь регіон «висить» на одній лінії електропередавання 330 кВ, умовно кажучи, вона передасть певну кількість енергії, її не вистачить усім. Тому її будуть давати поступово: спочатку одним, потім іншим.
Коли ми говоримо про аварійні відключення, це означає: зараз вибили, поки не відновлять, енергії не буде. Можливі ремонтні роботи: після аварії наші енергетики знаходять обхідні шляхи, надають резерв споживачам для того, щоб зробити… Можливо, десь треба лінію прокинути, десь провести певну перекомутацію на підстанціях. Це не робиться під напругою — треба на певний час знеструмити, зробити ці роботи й далі надавати споживачам енергію.
Як уберегти техніку від стрибків напруги
Електричні прилади розраховані на певну напругу, на них написано, яку саме. Для побутових споживачів номінал напруги зараз — 230 вольтів, і всі споживачі на неї розраховують. Якщо напруга змінюється, то режим роботи споживача також змінюється.
Наприклад, якщо в нас є електричний двигун, будь-який привід (де ми його можемо зустріти? У пральній машині, у котлі, циркуляційна помпа — це електричний двигун), і якщо напруга падає, то момент на валу двигуна також падає, і двигун не тягне навантаження. Він починає намагатися запуститися, але не запускається. Пускові струми у двигунах можуть йому зашкодити, і він вийде з ладу.
Тому, наприклад, ваші холодильники на низькій напрузі не слід заживлювати. Після останніх прильотів у нас була напруга і 170, і 160 вольтів, і холодильники треба було б відімкнути. Вони постійно намагаються запуститися, напруги не вистачає, а під час пуску в нього струми зростають достатньо високо. І це дуже шкодить електричному двигуну. Тому простіше його вимкнути і не користуватися, щоб не зашкодити самому обладнанню.
Водночас у великої кількості електроприладів, якщо подивитися на їхні паспортні характеристики, ви побачите, що заводи-виробники дають достатньо великий діапазон напруг. І якщо там написано, що він може працювати від 160 вольтів, то він може працювати. У ньому самому є певні стабілізаційні елементи, які дозволяють працювати на зниженій напрузі. Якщо в нього діапазон робочих напруг, умовно кажучи, 230 вольтів однією цифрою, то це означає, що 230 плюс-мінус 5%.
Що ми можемо зробити? Треба ставити реле, яке автоматично вимкне ваш електроприлад з мережі, якщо напруга буде змінюватися в більший або в менший бік. Це дозволить врятувати ваш електроприлад. Якщо ви хочете продовжувати роботу, то треба брати стабілізатор, який бере невелику напругу і підтягує її до номінальної, або напругу більшу і знижує її до номінальної.
Стабілізатори працюють і від 140 вольтів, і від 280 вольтів, і приводять її до звичної нам 230 вольтів. Таким чином, навіть за поганих показників якості електричної енергії, які ми зараз спостерігаємо зі зрозумілих причин, ви зможете користуватися електричною енергією, і ваші прилади продовжать свою роботу.
Стабілізатор — це дорожча штука. Ви вмикаєте стабілізатор у розетку, а в нього також свої розетки, і ви в нього вмикаєте техніку. У стабілізаторах є велика лінійка. Це може бути стабілізатор для одного споживача, тобто для холодильника або для котла, а може бути достатньо потужний стабілізатор, на який ви повісите всю свою хату [дім], квартиру, всіх споживачів можете повісити. Але чи є це доцільним? Велика кількість споживачів є не такими вибагливими до напруги. Наприклад, лампочки — вони світять, і світять собі. Світловий потік у них зменшується, але не так суттєво, щоб для них робити стабілізатор.
Найдорожчі, але й найстабільніші та якісніші в роботі — це інверторні стабілізатори. Коли ми беремо змінний струм поганої якості, тобто синусоїду, яка коливається за частотою, коливається за напругою, але вона є, енергія є, але цю енергію споживачеві віддавати не можна, тому що вона зашкодить споживачеві, перетворюємо її всередині стабілізатора на постійний струм, а потім вже з постійного струму знову перетворюємо на змінний, але вже за державними стандартами: як треба — 50 Гц, 230 вольтів.
Як посилити власну енергонезалежність
Все залежить від вашого гаманця і ваших умов проживання. Наприклад, забезпечити себе альтернативним енергоживленням (не лише електричним, а й загалом енергоживленням) у приватному секторі набагато простіше, ніж у багатоповерхівці. Тому що є де встановити твердопаливний котел, сонячні фотоелектричні панелі чи бензиновий генератор. А якщо ви живете в багатоповерхівці, скажімо, на восьмому поверсі, то ви обмежені своєю квартирою, і навіть дах у вас не власний, а спільний.
Інший крок, якщо ми хочемо посилити свою енергонезалежність, — це зарядні станції, приміром, EcoFlow. Це той самий інверторний стабілізатор, але в ньому ще є акумулятор, який запасає певну кількість енергії. Коли енергії немає, в акумуляторах запасається енергія, яка потім віддається споживачеві. Ви можете зробити на технологіях фотоелектричних, сонячних електростанцій: взяти інвертор і блоки акумуляторів. Їх можна набрати багато, але це коштує. Обсяг цих блоків акумуляторів і буде визначати кількість енергії, наскільки довго вам її вистачить. Навіть якщо у вас фотоелектричних панелей самих немає, то інвертор приєднується до мережі та з мережі бере енергію, коли вона є, заряджає акумулятори, а коли енергії немає, то він з акумуляторів видає споживачам, енергію, яку він зарядив.
Можете до нього додати ще бензиновий генератор. Він може брати не лише з сонячних панелей, а і з генератора, якщо у вас є де встановити генератор, щоб він працював.
Тут ще слід казати про певне енергозаощадження, переналаштування свого процесу енергоспоживання. Наприклад, якщо ми знаємо, що електричної енергії не буде, навіщо нам електричний чайник, який ми хочемо живити від акумуляторів? Він з’їсть велику кількість електричної енергії, і вашим гаджетам не залишиться її. Треба гріти на газу, якщо є газ. Якщо навіть із газом перебої, то доцільно зберігати теплову енергію в термосі.
Культура енергоспоживання через трагічні події в українців дуже зросла. Люди замислюються, вони розуміють ціну енергії.
«Розмазати генерацію тонким шаром»
Ми [на кафедрі] готуємо людей відповідальних. Електроенергетичні мережі не сприймають невідповідальності. Це технологічний процес, він дуже швидкий, його треба стабільно налагоджувати. Ми вбачаємо певні стереотипи щодо спеціальності. Наша спеціальність зараз називається 141, Електрична інженерія (G3). Ще рік тому вона називалася «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка». А для держави це взагалі дуже потрібно, це критична інфраструктура, тому, звісно, її треба насичувати кадрами.
Щодо захисту [об’єктів енергетики] — теоретично можна по 10 установок ППО Patriot поставити біля кожної підстанції, але це фінансово-економічно і політично не відбувається. Якщо говорити серйозно, наша кафедра пропонує розвиток систем розподіленої генерації. Для Харкова і області власної генерації не вистачає, з огляду на те, що вже були майже три цикли масованих ракетних і шахедних обстрілів енергетики.
Коли є потужна електростанція 500 МВт, у це місце прилітає, все вибивається, і ми втрачаємо одразу 500 МВт. Якщо цю потужну генерацію, як то кажуть, «розмазати тонким шаром» по території міста, ніяких ракет не напастися. Досвід встановлення когенераційних установок у Харкові є дуже позитивним. Розподілена генерація призведе до здорожчання електричної енергії, але енергія буде, і взагалі-то треба вже зараз думати про розподілену генерацію і переналаштування електричних мереж.
Ми пропонуємо фрактально-кластерний спосіб побудови розподільчих електричних мереж і маємо певні наукові наробки з цього приводу. Але це робота не одного року у разі, якщо ми для себе визначаємо, що з цим сусідом нам довго жити. Без електрики залишитися — це ще більш-менш прийнятно, але якщо ми взимку залишимося без опалення і водопостачання, то ви розумієте, що відбудеться з містом. Наявність самої енергії обумовлює можливість вести бізнес, просто проживати тут, закривати гуманітарні питання великих міст.
Розподілена генерація — це коли ми маємо велику кількість дрібних генераторів енергії, які розпорошені площею країни. На відміну від класичних потужних електростанцій (концентроване вироблення енергії), розподілена генерація (антонім концентрованому) — це багато дрібного. Це або фотоелектрична станція, або дизель-генератор, або біогазова установка, або вітряк, або мікро-ГЕС — усе те, що зараз звикли називати альтернативною енергетикою. Когенераційна установка — один з таких видів. Це об’єкти, які мають невелику, порівняно з електростанціями, потужність, проте вони здатні виробляти теплову енергію і електричну: є джерело газу, з газу виробляється теплова енергія, працює двигун внутрішнього згоряння. Таким чином когенераційна установка може автономно живити кілька багатоповерхівок, видавати теплову енергію і виробляти електричну енергію для насосів, які потім будуть цю енергію проштовхувати системою — за умови, якщо є газ.
Розвиток систем розподільної генерації може починатися не згори, а знизу. Утворюється один кластер, який сам себе забезпечує енергією. Поряд з ним утворюється інший, потім ці кластери з’єднуються для того, щоб підвищити надійність електропостачання, щоб між ними був обмін енергією. Якщо в когось пішло щось не так, або прильот, або взагалі генерація впала, вони можуть поділитися енергією. Зайвої енергії не буває, вона завжди може знайти свого споживача. Таким чином можна починати з певних кластерів енергозабезпечення, а потім вже ці кластери об’єднувати мережею. Електричні мережі будуть нагадувати мережі зв’язку — інтернет або мобільного зв’язку.
Ми бачимо, як збільшилась кількість фотоелектричних станцій. У моєму приватному секторі, де я мешкаю, йду вулицею: у того сусіда з’явилося, у того сусіда з’явилося. Бізнес ставить собі фотоелектричні станції під власне споживання, економлячи енергію. Якщо цей рух підтримувати, то він буде виходити на більші потужності. І потім ми так чи інакше прийдемо до утворення альтернативних мереж. Тобто у нас не буде монополіста, наприклад, Харківобленерго, а ми вже маємо власну генерацію, я своєму сусіду віддав енергію, а він мені віддав, і ми почнемо обмінюватися. І таким чином знизу починають будуватися розподілені електричні мережі. Держава може цьому допомогти. Оскільки об’єднана енергосистема стає нестабільною, а електрична енергія нам потрібна, люди самі починають брати відповідальність за енергозабезпечення на себе.
Якщо ми кажемо про щільну міську забудову, прогресивними є когенераційні установки. Також є перспективним утворення енергетичних міських хабів, тобто встановлення великих потужних батарей. У нас є метрополітен, це безпечно, і коли є енергія, вони будуть запасати цю енергію. Але це все коштує. Як я кажу, готуватися до зими, коли вона вже прийшла, — це дорого.