Для развития современной энергетики характерно формирование мощных ЭЭС, охватывающих большие территории. Единая ЭЭС Советского Союза (ЕЭЭС СССР) занимает площадь около 10 млн. км2. Она протянулась с востока на запад на 7000 км и с юга на север — на 3000 км. Протяженность и сложность такой системы делают особенно острыми вопросы, связанные с обеспечением ее надежности и «живучести».
Особенности ЭЭС, заключающиеся в одновременном генерировании и потреблении энергии, означают соответствие рабочей мощности всех источников энергии и мощности нагрузки в каждый момент времени. Обеспечение такого соответствия в работе при плотных графиках нагрузки и наличии достаточного числа маневренного оборудования не вызывало трудностей. Однако начиная с 60-х годов такое состояние стало изменяться, так как графики нагрузки ЕЭЭС европейской части СССР стали разуплотняться из-за значительного роста электропотребления не только промышленностью, но и сельским хозяйством и коммунально-бытовым сектором.
Для оптимальной работы мощных тепловых (ТЭС) и тем более атомных электростанций (АЭС) необходима постоянная равномерная загрузка, работа с переменной нагрузкой нежелательна. Следовательно, между источниками и потребителями электроэнергии возникает противоречие, которое необходимо устранить. Один из способов его устранения — включение в состав энергосистем накопителей энергии, обеспечивающих, с одной стороны, равномерную нагрузку электростанций, а с другой — выравнивание переменной части графика электропотребления.
Помимо этого существует ряд электроэнергетических задач, которые могут быть частично или полностью решены с помощью накопителей энергии:
повышение пропускной способности межсистемных связей;
стабилизация частоты и напряжения, повышение качества электроэнергии;
улучшение статической и динамической устойчивости и в конечном счете общее повышение надежности работы ЭЭС.
Таким образом, введение в ЭЭС накопителя энергии в качестве самостоятельной структурной единицы продиктовано объективными причинами. Более того, на ближайшую перспективу нет альтернативы энергосистеме, содержащей мощные тепловые и атомные электростанции, применяющие НЭ. В соответствии с прогнозами к 2000 г. более 10% от всей выработанной энергии будет проходить через системы накопления, прежде чем попасть к потребителю. Поэтому становятся важными вопросы выбора типа накопителя, определения допустимых границ изменения его параметров, а также выявления функциональных возможностей накопителей при работе их в ЭЭС.
Накопители различных типов получили широкое применение в электроэнергетических системах разных стран, однако пока наиболее существенное место среди них занимают ГАЭС. Так в различных ЭЭС мира работают около 300 ГАЭС с суммарной установленной мощностью, приближающейся к 50 ГВт. Большое число гидроаккумулирующих станций сооружено в США, мощность которых приближается к 10% от общей установленной мощности. В Японии эксплуатируются 35 средних и крупных ГАЭС и еще 10 станций находятся в стадии строительства. В промышленно развитых капиталистических странах Западной Европы — Италии, ФРГ, Франции, Великобритании, Австрии, Швейцарии и других — суммарная мощность ГАЭС составляет около 40 ГВт. С середины 70-х годов вступает в эксплуатацию ряд мощных ГАЭС в Индии, на Филиппинах, в Австралии. Мощные ГАЭС проектируются также в Египте, Канаде, Бразилии и других странах. Некоторые западноевропейские страны, такие, как Норвегия, Швеция, Австрия, экспортируют дорогую пиковую электроэнергию в соседние страны в часы максимальных суточных нагрузок их энергосистем. Весьма экономична параллельная работа ГАЭС ъ едином энергетическом комплексе с АЭС. На ряде ГАЭС общий КПД насосного аккумулирования энергии достигает 88% за счет высокого КПД насосов, турбин и электромашин. При ГАЭС, имеющих открытые бассейны, существенной является проблема уменьшения испарений воды и связанных с этим дополнительных потерь энергии. Для этого принимаются различные меры, например, используется покрытие поверхности бассейна плавающими на ней полиэтиленовыми шарами, резко снижающими испарение жидкости.
В ряде стран, особенно в США, начинается использование воздушно-аккумулирующих газотурбинных электростанций (ВАГТЭС). Ожидается, что к 2000 г. общая мощность таких электростанций составит 18,5 ГВт при продолжительности работы до 1700 ч в год.
Представляется целесообразным сооружение аккумулирующих станций того или иного типа вместе с АЭС. Работа АЭС при переменном графике нагрузки нежелательна, так как приводит к некоторому перерасходу ядерного горючего и определенному снижению ресурса оборудования.
Однако некоторые страны, например Франция, используют АЭС и в случае переменной части графика нагрузки, осуществляя с их помощью регулирование частоты и потоков мощности. В энергосистеме Франции энергоблоки мощностью до 1000 МВт с реакторами водо-водяного типа, используя стандартные регулирующие стержни для поддержания средней температуры первичного теплоносители, обеспечивают регулирование мощности энергоблоков. Мощность на них изменяется до 2% от номинальной мощности в минуту в начале цикла (после перегрузки топлива) и до 0,2% в минуту в конце цикла. Как в этом случае, так и при условии, когда мощность атомной станции во времени не меняется, оказывается целесообразным сооружение комплексов, в состав которых входят АЭС и НЭ. В настоящее время такими накопителями являются ГАЭС.
Особое значение в ближайшем будущем могут приобрести накопители с высокотемпературной проводимостью. В 1987 г. в США в Хьюстонском университете удалось синтезировать материал, переходящий в сверхпроводящий при температуре —179°С (94 К), что заметно выше температуры кипения жидкого азота (—196 С). Это указывает на возможность создания накопителей нового типа, использующих высокотемпературную сверхпроводимость. Такие накопители могут быть выполнены в виде кабелей, одновременно осуществляющих и функции передачи энергии на расстояние.
Разумеется, при решении задачи использования НЭ возникает много вопросов, требующих для решения постановки научных исследований.
Существенны также возможности применения емкостных и электромагнитных накопителей энергии, используемых как источники активной и реактивной мощностей одновременно. Ведутся интенсивные работы в этой области.
Накопители энергии в различных исполнениях имеют большое значение для улучшения работы обычных ЭЭС, они оказывают существенное влияние на работу специальных установок, особенно таких, в которых большие мощности нужны в течение небольшого времени. Например, для экспериментальных термоядерных установок требуются источники питания мощностью 500— 1000 МВ-А длительностью порядка секунды. Предварительные проработки показали возможность решения данной проблемы.
