Общемировой тенденцией является постепенный переход на возобновляемые источники энергии. На рисунке 1 приведен график различных видов источников электроэнергии на период с 1970 по 2050 годы [5].
По прогнозам к 2050 году будет осуществляться постепенный переход на возобновляемые истопники энергии, которые могут достигнуть 69 % от общей генерации электроэнергии. Основная доля выработки электроэнергии будет приходиться на солнечную энергию и энергию ветра [21].
Повысить эффективность разработки удаленных месторождений нефти и газа и одновременно снизить потребление дизельного топлива и попутного нефтяного газа возможно за счет применения возобновляемых источников энергии [7, 9]. Возобновляемые источники энергии при генерации на самом месторождении приводят к уменьшению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от дизель-генераторов, а также к сокращению потерь при передаче электрической энергии потребителям в централизованных системах электроснабжения [11, 12]. Электротехническим комплексам генерации электрической энергии на возобновляемых источниках энергии присущи следующие достоинства: энергосбережение, экологически безопасная технология.
Авторами [1] обоснована актуальность и возможность генерации электроэнергии на основе возобновляемых источников в условиях Арктики для осуществления работы основного технологического оборудования нефтегазовых месторождений.
Последние данные геолого-разведочных работ подтверждают долгосрочный благоприятный прогноз запасов нефти и газа в России, в совокупности с развитием технического прогресса геологоразведки новые месторождения нефти и газа активно вовлекаются в разработку [4]. Соответственно, актуальным можно считать разработку и внедрение технологий использования возобновляемых источников энергии на удаленных территориях по разработке месторождений нефти и газа.
Так, одним из примеров внедрения возобновляемых источников энергии является международная арктическая станция (МАС) «Снежинка» – круглогодичный и полностью автономный комплекс (рисунок 2), создаваемый без дизельного топлива и являющийся исключительным объектом для внедрения новых технологий по возобновляемой энергетике. Основная цель данной станции – тестирование новых разработок в области экологии, систем «умный дом/поселение», развитие новых систем связи и решений на основе искусственного интеллекта [5].
Удаленность объектов добычи нефти и газа от централизованных систем электроснабжения усложняет задачу эффективного использования электрической энергии. Применение фотоэлектрических станций позволяет снизить затраты на транспортировку дизельного топлива для дизель-генераторных установок на месторождения нефти и газа [14, 15, 16].
Так, например, существуют объекты по добыче нефти и газа: один расположенный в Забайкальском крае, в 15 километрах от ближайшего поселка; другой объект в Сургуте, расположенный от ближайшего населенного пункта в 90 километрах. На первый взгляд, объект в Сургуте более удаленный, так как находится на 75 км дальше от ближайшего населенного пункта, чем забайкальский. Однако в Сургуте дорога до объекта строительства занимает полтора часа, а в Забайкалье на дорогу в 15 км придется потратить почти в четыре раза больше времени. Таким образом, время на транспортировку зависит от качества покрытия и состояния дороги, а соответственно, и на количество доставляемого дизельного топлива на месторождение.
С целью создания непрерывности технологического цикла по разведке и эксплуатационному бурению, добыче и транспортировке углеводородов необходимо обеспечить бесперебойное электроснабжение месторождения [23, 24].
Современная буровая установка в условиях Арктики содержит комплекс систем, обеспечивающих выработку электрической энергии, ее распределение по потребителям и преобразование.
Электротехнический комплекс включает [10]:
· распределительные устройства (РУ);
· силовые и разделительные трансформаторы;
· выпрямительные устройства;
· электрические двигатели переменного и постоянного тока;
· устройства управления, релейной защиты и автоматики при распределении электрической энергии;
· передвижные электростанции.
Для эксплуатации электроприводов буровой установки применяют, как правило, несколько дизель-генераторов для осуществления бесперебойного питания и непрерывности работы.
Дизель-генераторы подбираются из обеспечения достаточного количества мощности питания всех потребителей электроэнергии буровой установки, а также возможности параллельной работы нескольких дизель-генераторов в условиях перегрузки или при аварийных режимах. Требования к обеспечению надежного электроснабжения являются одним из важных аспектов обустройства буровой установки на месторождениях нефти и газа.
В условиях Арктики требуется непрерывная эксплуатация основного технологического оборудования для поддержания непрерывности процесса производства. Кратковременное прерывание или перебои электроэнергии могут привести к замораживанию трубопроводов, используемых для перекачки воды, конденсата и др.
Восстановление электроснабжения на месторождении нефти и газа занимает достаточное количество времени из-за удаленности буровых установок от источника электроснабжения [18]. Для бесперебойной подачи электроэнергии необходимо применение дополнительных дизель-генераторных установок [22]. Однако требуются новые объемы дизельного топлива, что приводит к увеличению затрат на транспортировку. Стоимость перевозки по зимникам составляет порядка 20 руб. за 1т/км для доставки в вахтовый поселок Сабетта (рисунок 3). Таким образом, существует задача сокращения расходов на транспортировку дизельного топлива, которую можно выполнить за счет применения возобновляемых источников энергии на месторождении.
Внедрение солнечной электростанции в автономную систему электроснабжения на месторождении позволит обеспечить непрерывность работы основного технологического оборудования за счет нового вида электроэнергии [17, 19, 20].
По данным инсоляции на месторождении, была проведена оценка возможности применения солнечных панелей (таблица 1).
На основании полученных данных по инсоляции месторождения нефти и газа была разработана математическая и имитационная модель (рисунок 4) солнечной электростанции в программе MatLab.
Технические характеристики солнечной электростанции:
- оптимальный уровень наклона солнечных панелей 68о;
- установленная мощность одной панели 500 Вт;
- площадь одной панели 2,58 м2;
- количество панелей 2 000 шт.;
- мощность СЭС – 1 МВт.
На рисунке 4 представлена имитационная модель автономной системы электроснабжения.
По результатам имитационного моделирования были получены графики, представленные на рисунке 5, выработанной электроэнергии в автономной системе электроснабжения в ясную и солнечную погоду.
При затемнении солнечной электростанции происходит снижение выработанной электроэнергии. При затемнении на 30 % был получен график генерации электроэнергии, представленный на рисунке 6. С помощью блока Partial Shading было осуществлено затемнение солнечной панели с 12:00 до 12:30. Для обеспечения непрерывности технологического цикла увеличивается выработка электроэнергии от дизель-генераторных установок
По результатам моделирования были получены суммарный график генерации и график потребления электрической энергии на месторождении, представлены на рисунке 7. Анализ графиков показал, что генерация в среднем превышает потребляемую электроэнергию на 9,4 %, тем самым обеспечивая надежное электроснабжение месторождения нефти и газа с учетом внедрения возобновляемых источников энергии.
На основе полученных данных солнечной инсоляции месторождения нефти и газа вблизи рабочего поселка Сабетта построен график, представленный на рисунке 8, максимальной генерируемой электроэнергии в году.
Выработанная электроэнергия фотоэлектрической станцией мощностью 1 МВт позволяет обеспечить непрерывность технологического цикла по разведке, добыче и транспортировке нефти и газа с применением дизель-генераторных установок. Выработанная электроэнергия на солнечной электростанции в летний период практически полностью обеспечивает нужды месторождения нефти и газа.
В последние десятилетия учеными часто поднимаются вопросы изменения климата, которые также должны заставить думать о непрерывном обеспечении электрической энергии удаленных объектов месторождений в случае непредвиденных разрушений дорог и имеющихся путей доступа. По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) установлено быстрое потепление в Арктике, что подчеркивается в каждом из отчетов [2]. При сравнении десятилетия с 2006 по 2015 годы с доиндустриальным периодом с 1850 по 1900 годы установлено глобальное повышение температуры на 0,87 °C.
В автономных системах электроснабжения при использовании солнечной электростанции происходит снижение потребления дизельного топлива, что приводит к сокращению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
По результатам моделирования установлено, что среднегодовое снижение потребления дизельного топлива составляет порядка g = 9 л/час с одной дизель-генераторной установки мощностью 200 кВт.
Таким образом, снижение потребления дизельного топлива в год с одной дизель-генераторной установки:
На основании ГОСТ Р 56163 – 2014 снижение валового выброса загрязняющих веществ:
для угарного газа (СО)
Следовательно, применение солнечной электростанции позволяет сократить выбросы СО на 2034 кг в год с одной дизель-генераторной установки мощностью 200 кВт.
Расчеты выбросов вредных веществ, поступающих в атмосферу с отработавшими газами стационарных дизельных установок приведены в таблице 2:
· оксид углерода (СО);
· оксиды азота (NOx) (в пересчете на NО2);
· углеводороды (СН);
· сажа (С);
· диоксид серы (SО2);
· формальдегид (СН2О);
· бенз(а)пирен (БП).
Стоимость затрат на транспортировку дизельного топлива составляет порядка 20 руб. за тонну на один километр [1]. Таким образом, при снижении потребления топлива на одной ДГУ в год сокращаются расходы на транспорт (3):
где S – путь доставки дизельного топлива, G – масса дизельного топлива, С – стоимость доставки.
Стоимость сэкономленного дизельного топлива в год для одной дизель-генераторной установки мощностью 200 кВт (4):
При снижении стоимости затрат на транспортировку и стоимости самого дизельного топлива произведен расчет срока окупаемости солнечной электростанции (таблица 3).
Сметная стоимость строительства солнечной электростанции на 1 МВт составляет порядка 45 млн рублей.
По результатам расчета экономического эффекта установлено, что для арктических условий на месторождении нефти и газа срок окупаемости солнечной электростанции составляет порядка 9,6 года (рисунок 9).
Таким образом, при внедрении новых видов источников электроэнергии на месторождении нефти и газа заказчик учитывает коммерческую эффективность на основе оптимизации основных параметров систем электроснабжения и их адаптации в условиях недостаточной прогнозной информации не только о запасах на месторождении, но и о состоянии климата.
Выводы
1. Внедрение в автономную систему электроснабжения солнечной фотоэлектрической электростанции позволяет обеспечить непрерывную эксплуатацию нефтепромыслового оборудования для успешного протекания всего технологического процесса по разведке и эксплуатационному бурению, добыче и транспортировке углеводородов. Выработка электроэнергии на солнечной электростанции позволяет обеспечить бесперебойное снабжение ответственных потребителей на месторождении и запас электроэнергии, превышающий на 9,4 % от потребления, используемый для накопления энергии в аккумуляторных батареях.
2. При внедрении солнечных электростанций и снижении выработки электроэнергии на дизель-генераторных установках мощностью до 200 кВт происходит среднее снижение выбросов загрязняющих веществ на 16,6 %, что позволяет улучшить экологическую обстановку в регионе.
Экономический эффект от внедрения определяется сроком окупаемости до 9,6 года с момента ввода в эксплуатацию солнечной электростанцией мощностью 1 МВт.
