Системы накопления энергии для буровых установок

Евгений Чупин¹ · Константин Фролов² · Максим Коржавин¹ · Олег Жданеев²

Поступила: 30 марта 2021 / Принята: 23 июля 2021 / Опубликована онлайн: 29 декабря 2021

© Авторы, 2021

https://spmi.ru/sites/default/files/zashita/Zhdaneev/zhdaneev_statya_23.pdf - ссылка на оригинальную статью

Аннотация

Системы накопления энергии являются важным компонентом энергетического перехода, который в настоящее время планируется и реализуется в большинстве развитых и развивающихся стран. В статье изложена разработка системы накопления электрической энергии для буровых установок на основе электрохимических накопителей. Приведены описание и обобщение основных задач, решаемых такой системой при её применении на буровых установках, изолированных в пределах отдельной кустовой площадки и получающих питание от дизель-генераторных установок, газопоршневых электростанций либо высоковольтных линий 6–10 кВ. Исследованы энергетические режимы работы буровых установок, приведены общие выводы и подробные результаты для одной из более чем пятидесяти кустовых площадок. На основании исследований разработана типовая архитектура модуля накопления энергии и изготовлен инженерный прототип. Доказана эффективность гибридной схемы накопления энергии, предусматривающей совместное применение литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов, а также трёхуровневых инверторов для управления системой накопления. Рассмотрены все возможные варианты включения системы в единую электрическую схему буровой установки и обосновано оптимальное решение. Исследование режимов работы буровой установки и инженерные испытания позволили получить упрощённую математическую модель накопителя энергии, интегрированного в схему электроснабжения буровой установки. Модель использована для прогнозирования срока окупаемости системы при различных вариантах применения и режимах работы буровой. Результаты исследования позволяют лучше понять, какой тип системы накопления наиболее эффективен для энергосистем с кратковременными высокими пиками нагрузки, к которым относятся буровые установки.

Ключевые слова: система накопления электрической энергии · инвертор · распределительная сеть · микрогенерация · распределённая генерация · возобновляемые источники энергии · активный потребитель

Олег Жданеев — Zhdaneev@rosenergo.gov.ru   |   Евгений Чупин — e.chupin@momentum.ru
Константин Фролов — Frolov@rosenergo.gov.ru   |   Максим Коржавин — m.korjavin@momentum.ru

¹ ООО НТЦ «Приводная техника», Челябинск, Россия, 454007
² Российское энергетическое агентство Минэнерго России, пр-т Мира, 105/1, Москва, Россия, 129085

Введение

Системы накопления энергии (СНЭ) являются важным компонентом энергетического перехода, который в настоящее время происходит во всём мире, включая Россию: за последние 10 лет сектор вырос в 48 раз при среднегодовом темпе роста 47% (Kholkin et al. 2019). По различным прогнозам, к 2024–2025 гг. мировой рынок систем накопления энергии достигнет 50–100 ГВт, что соответствует примерно 80 млрд долл. США. В последние годы развитие СНЭ стимулировалось развитием нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) (Zhdaneev 2020). Максимальная ёмкость российского рынка СНЭ до 2030 г. оценивается в 10–15 ГВт (Kholkin et al. 2019).

В настоящее время коммерчески развиты пять технологий накопления энергии: механическая, электрохимическая, тепловая, электрическая и химическая (Andrey et al. 2020). Согласно отчёту Европейской комиссии по развитию технологий (Andrey et al. 2020), электрохимические СНЭ являются второй по степени развития и распространённости технологией после гидроаккумулирующих электростанций. Всё более важную роль, в том числе в нефтегазовой отрасли, играют СНЭ, устанавливаемые у конечных потребителей (активных потребителей) после приборов учёта, то есть на стороне потребителя (Brown et al. 2020).

Работы по разработке систем накопления электрической энергии для буровых установок ведутся во всём мире в течение последних пяти лет, однако в основном они ориентированы на автономные морские буровые установки.

Первым примером практического применения СНЭ в нефтегазовой отрасли стал совместный проект Woodside Energy и ABB Ability (Baccino et al. 2018) — система PowerStore номинальной мощностью 1 МВт и энергоёмкостью 1 МВт·ч, установленная на австралийской морской платформе Goodwyn Alpha в 2017 г. Производительность платформы составляет до 36 и 11 тыс. т/сут газа и газового конденсата соответственно. Платформа оснащена четырьмя газотурбинными энергоблоками мощностью 3,2 МВт каждый, суммарно 12,8 МВт. Подтверждённые результаты эксплуатации СНЭ за 2019 г.: экономия 3000 т дизельного топлива и сокращение выбросов CO₂ на 7500 т. Таким образом, СНЭ позволила заменить один из четырёх действующих газотурбинных генераторов и сократить время работы аварийного дизель-генератора.

Следующий морской проект СНЭ был разработан компаниями Seadrill/Northern Drilling, Siemens, Kongsberg Maritime и DNV GL (Northern Drilling’s West Mira first rig to receive DNV GL Battery (Power) 2019) и введён в эксплуатацию на полупогружной буровой установке West Mira в Северном море в 2018 г. СНЭ состояла из четырёх модулей мощностью 1,5 МВт каждый, суммарной мощностью 6 МВт. Энергетическая установка буровой включала шесть дизельных электростанций мощностью 5,5 МВт. В настоящее время сообщается об экономии дизельного топлива на 42% и сокращении выбросов CO₂ на 12%.

В 2020 г. компания Maersk (Energy and delivers energy storage, 2021) реализовала третий в мире проект использования СНЭ при морской добыче нефти и газа — на самоподъёмной буровой установке Maersk Intrepid CJ70, также работающей в Северном море. Суммарная мощность энергетической установки буровой составляет 11,6 МВт. Ежемесячная экономия дизельного топлива составила 25%, а выбросы CO₂ сократились на 25%. По основным характеристикам эта СНЭ была близка к системе Woodside Energy и ABB Ability.

В начале статьи обосновывается целесообразность широкого применения СНЭ на буровых установках. Далее приведены выводы по результатам практических исследований энергетических режимов ряда буровых установок в 2017–2019 гг. Эти исследования послужили основой для разработки экспериментальной СНЭ с системой управления на базе трёхуровневого инвертора. Обоснован оптимальный способ интеграции СНЭ в электрическую схему буровой установки. После натурных испытаний подтверждена целесообразность применения СНЭ при бурении и рассчитаны базовые характеристики серийной СНЭ.

СНЭ для буровых установок

При достижении определённого уровня цен СНЭ могут стать чрезвычайно эффективным решением для следующих задач электроснабжения российской нефтегазовой отрасли:

a. Повышение качества электроэнергии. Несмотря на отсутствие ВИЭ, большинство российских потребителей сталкиваются с теми же проблемами провалов напряжения, что и сети с высокой долей ВИЭ, вследствие большой протяжённости и неудовлетворительного состояния линий. СНЭ обеспечивает надёжность электроснабжения и позволяет отложить инвестиции в модернизацию существующих сетей и строительство новых.

b. Использование СНЭ как накопителя на стороне потребителя после прибора учёта для оптимизации стоимости энергоснабжения. Причины установки накопителя различны — от требований бесперебойного питания до возможности снижения затрат за счёт уменьшения пиков потребления.

В России буровые установки глубокого бурения (Zhdaneev and Frolov 2020) относятся к наиболее энергоёмким объектам с суммарной установленной мощностью 3–5 МВт.

Многолетний опыт проектирования и обслуживания систем управления и электроснабжения буровых установок показал, что график нагрузки характеризуется кратковременным высоким энергопотреблением с высокой скоростью нарастания мощности, что требует одновременной работы большего числа дизельных электростанций (ДЭС) либо газопоршневых или газотурбинных установок (Pavković et al. 2016). Для буровых такой режим наиболее характерен при спуско-подъёмных операциях (СПО).

На основании статистики среднесуточного энергопотребления и графиков нагрузки различных режимов работы более чем на пятидесяти кустовых площадках, оснащённых ДЭС, было предложено повысить энергоэффективность автономных буровых установок за счёт внедрения систем накопления энергии (рис. 1).

Применение систем накопления энергии при бурении скважин позволит снизить затраты на энергоснабжение автономных объектов благодаря следующим преимуществам:

1. Снижаются капитальные затраты на энергоснабжение буровых за счёт исключения одной или двух ДЭС мощностью 1 МВт (из обычно применяемых 4–5), при высокой автономности работы — проверка настроек один раз за смену. Дополнительный персонал для СНЭ не требуется, поскольку её обслуживает энергетик/электронщик буровой установки.

2. Расход дизельного топлива снижается до 20–30% (в зависимости от мощности СНЭ) за счёт выравнивания нагрузки с помощью СНЭ, при общем положительном экономическом эффекте по сравнению с буровыми установками, питаемыми исключительно от ДЭС.

3. Ресурс ДЭС увеличивается до 40% благодаря компенсации пиковых нагрузок и ограничению скорости нарастания нагрузки дизель-генератора.

4. Срок службы преобразователей частоты, инверторов MOMENTUM и аккумуляторных батарей составляет не менее 10 лет, остальных элементов — 25 лет.

5. Повышается энергетическая эффективность бурения за счёт снижения эксплуатационных затрат на дизельное топливо и электроэнергию. Срок окупаемости составляет 2–5 лет благодаря экономии топлива и затрат на обслуживание ДЭС и зависит от энергоёмкости СНЭ, технологической карты бурения и среднегодовых затрат на техническое обслуживание.

Рис. 1  Состав системы накопления энергии. Обозначения на изображении: трансформатор 6/0,4 кВ, 630 кВА; КРУ; трёхуровневый инвертор (низковольтный); шкаф управления EMS; NMC-аккумулятор; суперконденсаторный накопитель.

Также появляется возможность компенсировать реактивную мощность и интенсивно поддерживать сеть при отклонениях напряжения и частоты за счёт накопления энергии и последующей её отдачи в линию, поскольку СНЭ может быть интегрирована во все системы электроснабжения буровой, питаемые от высоковольтных линий 6–10 кВ (Dehghani et al. 2020).

СНЭ позволит нефтегазовым компаниям эксплуатировать современные энергоёмкие буровые установки (3–5 МВт) на слабых высоковольтных линиях и вдали от подстанций без ДЭС. Сглаживание пиков нагрузки буровой установки с помощью СНЭ позволяет устранить просадки напряжения в слабых сетях, что положительно влияет на соседних потребителей, например погружные насосы на месторождении. СНЭ существенно уменьшит экологический след за счёт сокращения вредных выбросов CO₂ от ДЭС суммарной мощностью 3–5 МВт до 25% в год (Dai et al. 2019).

Постоянно интегрированный в схему буровой источник энергии позволит буровым подрядчикам компенсировать провалы и выбросы напряжения, что сократит аварийные остановы и простои бурового оборудования (Chervonchenko and Frolov 2020), снизит риски при бурении и повысит устойчивость работы ДЭС.

Кроме того, СНЭ легко масштабируется по мощности, энергоёмкости и напряжению и строится на унифицированных модулях. Все перечисленные преимущества актуальны как для морского, так и для наземного бурения, в том числе в суровых условиях российского Севера (Zhdaneev et al. 2020).

Исследование энергетических режимов буровых установок

В 2017–2019 гг. были исследованы энергетические режимы двадцати буровых установок. Исследование включало измерение качественных и количественных параметров энергии, потребляемой буровыми с дизель-генераторным питанием, времени работы генераторов и расхода дизельного топлива на различных этапах строительства скважины. Результаты были обобщены для буровых установок разных производителей и различной грузоподъёмности.

Все измерения выполнялись для последующего определения оптимальной мощности накопителя и инвертора, а также схемы подключения накопителя. Исследования показали, что среднесуточная мощность потребления буровой находится в диапазоне 350–500 кВт в зависимости от типа буровой и сложности скважины. Оптимальная с точки зрения экономики и срока окупаемости (не более 4 лет) энергоёмкость накопителя определена в диапазоне 150–350 кВт·ч. При этом для компенсации динамических режимов следует использовать модуль на суперконденсаторах.

В табл. 1 приведены результаты исследования энергопотребления для буровой установки грузоподъёмностью 320 т.

На рис. 2 показано число дизель-генераторов, одновременно работающих на рассматриваемой буровой. Видны режимы с максимальной пиковой мощностью, требующие одновременной работы до четырёх дизель-генераторов.

Таблица 1  Основные результаты исследования энергопотребления буровой установки грузоподъёмностью 320 т

Рис. 2  Использование дизель-генераторов в составе БУ 5000/320 на кустовой площадке № 23 Кондинского месторождения.

Рис. 3  График нагрузки привода буровой лебёдки в режиме СПО. На графике выделены разряд суперконденсатора, разряд и заряд накопителя, а также заряд суперконденсатора.

Исследование позволяет оценить возможность повышения энергоэффективности бурения — снижения затрат на дизельное топливо и времени работы генераторов — до 30% за счёт выравнивания нагрузки генераторов и выбора оптимального режима, при котором достигается наилучший расход топлива. Выравнивание нагрузки обеспечивается современными СНЭ, накапливающими энергию между периодами потребления и отдающими её в часы пиковых нагрузок.

Эффект определяется тем, что дизельный двигатель наиболее эффективно расходует топливо при загрузке более 50% (Daho et al. 2013). Однако резко изменяющиеся нагрузки при работе буровой лебёдки требуют дополнительных дизель-генераторов для покрытия пиков, вследствие чего один или два генератора значительную часть времени работают недогруженными. На рис. 3 приведён характерный график энергопотребления при работе буровой лебёдки.

Анализ аппроксимированного графика нагрузки в режиме СПО показал, что в этих условиях наиболее эффективной является гибридная система накопления электрической энергии, включающая литий-ионную батарею и суперконденсаторы. Она использует преимущества обоих типов накопителей: суперконденсатор обеспечивает высокую пиковую мощность разряда и большой циклический ресурс, а литий-ионная батарея — длительную поддержку нагрузки благодаря высокой энергоёмкости (Zhuk et al. 2013).

При применении инверторов в сетевых накопителях важное значение имеет качество электроэнергии, возвращаемой в сеть, которое должно соответствовать требованиям EN 50160:2010 (NEQ). Стандарт достаточно жёстко нормирует гармонические составляющие выходного напряжения, формируемого инвертором. В этих условиях наиболее целесообразен инвертор, построенный по трёхуровневой топологии NPC (Neutral Point Clamped) (Pouresmaeil et al. 2012). Основные преимущества трёхуровневого инвертора по сравнению с двухуровневым:

1. Снижение потерь в выходных фильтрующих и согласующих цепях (например, синус-фильтрах и линейных дросселях) благодаря улучшенной форме основной гармоники выходного напряжения. Формы линейного и фазного напряжения близки к синусоидальным.

2. Снижение сетевых гармоник и других негативных факторов, влияющих на качество выходных напряжения и тока.

3. Снижение динамических потерь в силовых транзисторах.

4. Улучшение массогабаритных показателей синус-фильтров и согласующих линейных дросселей.

В 2020 г. был изготовлен инженерный прототип СНЭ для буровой установки в виде 20-тонного контейнера с системой управления на базе трёхуровневых инверторов.

Основные компоненты инженерного прототипа СНЭ:

1. трёхуровневый инвертор MT2000 MOMENTUM;

2. NMC-аккумуляторная батарея энергоёмкостью 133 кВт·ч;

3. суперконденсатор мощностью 4 кВт;

4. трансформатор 6/0,4 кВ мощностью 630 кВА.

Конструкция трёхуровневого NPC-инвертора позволяет применять стандартные силовые транзисторные модули и драйверы для их управления. Осциллограмма линейных напряжений, формируемых трёхуровневым инвертором, показывает, что форма линейного напряжения близка к синусоидальной, что обеспечивает более высокое качество напряжения по сравнению с преобразователями двухуровневой топологии при прочих равных условиях (Teichmann and Bernet 2005).

Для эффективного управления мощностью аккумуляторных батарей и конденсаторов в инвертор были включены модули двунаправленного DC/DC-преобразователя заряда/разряда PZR-250 MOMENTUM. Эти модули решают задачу согласования напряжений накопителя энергии и звена постоянного тока инверторного модуля, чтобы поддерживать индекс модуляции основной гармоники выходного напряжения в оптимальном диапазоне и максимально использовать запасённую энергию.

Для обеспечения требуемой отдачи энергии при минимальной стоимости и максимальном сроке службы накопитель выполнен по гибридной схеме с двумя типами накопителей: литий-ионной батареей и суперконденсатором.

На участке нагрузки свыше 500 кВт (пуск нагруженной буровой лебёдки) суперконденсатор обеспечивает кратковременный разряд мощностью до 1000 кВт продолжительностью до 3 с. Литий-ионная батарея разряжается при подъёме нагрузки в течение до 120 с мощностью до 500 кВт. Затем в интервале до 180 с накопитель заряжается мощностью около 133 кВт (1C).

В таком режиме работы расходуется лишь небольшая часть энергии, накопленной батареей ёмкостью 133 кВт·ч, что позволяет экономить её ресурс и обеспечивает до нескольких сотен тысяч рабочих циклов заряд-разряд.

Ещё один способ снижения энергозатрат буровой — накопление и повторное использование энергии, генерируемой приводами буровой лебёдки при спуске бурильной колонны. В настоящее время на всех буровых эта энергия рассеивается на тормозных резисторах.

На примере буровой установки грузоподъёмностью 320 т показано, что при бурении скважины глубиной 4000 м на тормозном резисторе рассеивается 2400 кВт·ч. Статистика, полученная при исследовании различных буровых установок, показывает, что доля энергии, рассеиваемой на тормозных резисторах приводов, может изменяться от единиц до десятков процентов.

Оптимальная интеграция СНЭ в схему электроснабжения буровой установки

На шине постоянного тока 1000 В:

• Вариант № 1: преобразователи заряда/разряда + аккумуляторная батарея.

• Вариант № 2: преобразователи заряда/разряда + суперконденсаторы.

Оба варианта обеспечивают подключение СНЭ к звену постоянного тока системы преобразователей частоты электроприводов. Преимущества — более высокий КПД системы благодаря отсутствию согласующих силовых трансформаторов и инверторных модулей с синус-фильтрами, снижение общей стоимости оборудования, а также возможность полного использования энергии рекуперации при СПО.

На линии переменного тока 690 В:

• Вариант № 3: активный выпрямитель + аккумуляторная батарея.

• Вариант № 4: активный выпрямитель + преобразователи заряда/разряда + суперконденсаторы.

• Вариант № 5: разделительный трансформатор 0,6/0,6 кВ + активный выпрямитель + аккумуляторная батарея.

Эти три варианта обеспечивают подключение СНЭ на стороне 0,6 кВ; при этом используется стандартная коммутационная аппаратура сетевого инвертора, а высоковольтная вводная ячейка не требуется.

Следует отметить, что если в составе преобразователей частоты приводов буровой лебёдки применяются активные выпрямители, существует вариант подключения СНЭ с использованием рекуперируемой энергии.

На линии переменного тока 6 кВ:

• Вариант № 6: высоковольтная ячейка + трансформатор 6/0,4 или 6/0,6 кВ + активный выпрямитель + аккумуляторная батарея.

• Вариант № 7: высоковольтная ячейка + трансформатор 6/0,6 кВ + активный выпрямитель + преобразователи заряда/разряда + суперконденсаторы.

Рис. 4  Варианты включения СНЭ в систему электроснабжения буровой установки. Условные обозначения: TDS — система верхнего привода; SCR — управляемый полупроводниковый выпрямитель; SCG — распределительное устройство и аппаратура управления; MCC — центр управления электродвигателями; Trans. — трансформатор; ESS — СНЭ.

Варианты № 6 и № 7 обеспечивают подключение СНЭ на стороне 6 кВ параллельно дизель-генератору. Такое подключение является достаточно универсальным, однако самым дорогим, поскольку высоковольтная вводная ячейка обязательна.

Недостатком такого применения следует считать невозможность использования энергии, рекуперируемой при СПО.

Большинство буровых установок с приводами постоянного тока оснащены механическими тормозами, а установки с приводами переменного тока не способны рекуперировать (возвращать) энергию в сеть (Anuchin 2015). Поэтому накопление и повторное использование энергии при спуске бурильной колонны возможно только во вновь создаваемых приводах с доступом к звену постоянного тока. При таком подключении возможны как компенсация пиковых нагрузок привода, так и накопление энергии при его генераторном режиме. Такая возможность была реализована в испытательных приводах Д-423 производства Снежинского завода, входящего в ГК «Приводная техника».

Существенным недостатком этих схем является их сложность, а в ряде случаев — полная недоступность шин постоянного тока преобразователей частоты электроприводов.

С учётом ограниченных возможностей интеграции накопителя энергии в существующие буровые установки был выбран вариант подключения через сеть переменного тока 6 кВ, то есть вариант № 6.

Расчёт экономической эффективности интеграции СНЭ в буровые установки с питанием от ДЭС

Исследование режимов работы буровых установок, а также инженерные испытания позволили получить упрощённую математическую модель накопителя энергии (рис. 5), интегрированного в электрическую схему буровой.

На основе математической модели накопителя и анализа экспериментальных данных построена зависимость сокращения времени работы ДЭС от энергоёмкости накопителя (рис. 6). График показывает, что при энергоёмкости накопителя 2 кВт·ч сокращение времени работы ДЭС не превышает 10%.

Таким образом, применение СНЭ малой энергоёмкости является оптимальным решением, поскольку позволяет получить экономический эффект при относительно низких затратах, а наиболее эффективным является использование накопителя ёмкостью 150–350 кВт·ч. График показывает, что бесконечное увеличение ёмкости не приводит к 100%-ной экономии, так как для покрытия среднесуточного потребления всегда требуется источник мощности. Интеграция в буровые установки систем накопления ёмкостью более 1 МВт·ч нецелесообразна из-за высокой стоимости и длительного срока окупаемости.

Данные и зависимости, полученные при инженерных испытаниях, использованы для расчёта сроков окупаемости СНЭ при различных вариантах использования и режимах работы буровой. В оптимистическом сценарии срок окупаемости может составлять 1,5 года, а при неблагоприятных условиях — увеличиваться до четырёх лет (табл. 2).

Рис. 5  Упрощённая математическая модель накопителя электрической энергии. Основные обозначения: P — мощность буровой; средняя мощность бурения; N_DPS — число работающих ДЭС; P* — заданная мощность накопителя; SoC — степень заряда; ESU — накопитель энергии.

Рис. 6  Зависимость сокращения времени работы ДЭС от энергоёмкости накопителя. По оси ординат — мотор-часы ДЭС; по оси абсцисс — энергоёмкость СНЭ, кВт·ч.

Таблица 2  Срок окупаемости СНЭ для бурения

Итоги и выводы

Системы накопления энергии являются одним из наиболее быстрорастущих и перспективных сегментов электроэнергетики, учитывая, что их взрывной рост начался лишь в последние 4–5 лет. Можно выделить несколько характерных моментов:

a. Регулирование находится на стадии формирования; практически единственным развитым рыночным механизмом вывода накопителей на рынок услуг является рынок системных услуг.

b. За последние 3–4 года этот рынок стал главным катализатором инвестиций в накопители.

c. В настоящее время регуляторы США и Великобритании снизили привлекательность этого рынка; рост смещается в другие сектора, прежде всего в розничный сегмент.

d. Наибольший рост ожидается на рынке «за счётчиком» (downstream of the meter), стимулируемом субсидиями на накопители и/или отменой субсидий на солнечную энергетику (feed-in tariff) (Rövekamp et al. 2021).

e. Рынок привлекает в энергетику не только энергетические компании, но и инвесторов из различных отраслей, например автомобильной и нефтегазовой.

Разработанная система накопления энергии для наземного бурения относится к числу первых в мире. В качестве зарубежного аналога можно выделить лишь проект немецкого производителя буровых установок Bentec, реализованный в Омане. В 2017 г. контейнерная СНЭ Bentec мощностью 0,9 МВт и энергоёмкостью 0,3 МВт была введена в опытную эксплуатацию на буровой установке KCA Deuteg T-94. Лучшие показатели эксплуатации СНЭ за четыре года — экономия 160 т дизельного топлива в год и сокращение выбросов CO₂ на 420 т.

Расчётный результат годовой эксплуатации самого малого модуля СНЭ энергоёмкостью 133 кВт·ч — экономия 88 т дизельного топлива, сокращение выбросов CO₂ на 238 т или около 10 млн руб. в денежном выражении при сроке эксплуатации СНЭ не менее 10 лет и минимальной плановой экономии топлива 6,5% в год с учётом затрат на техническое обслуживание, аренду ДЭС и капитальных затрат.

Основные задачи дальнейшего инженерного совершенствования и сокращения срока окупаемости СНЭ для бурения — создание эффективных систем управления на базе преобразователей частоты, легко интегрируемых в схемы электроснабжения существующих и проектируемых буровых, а также снижение эксплуатационной стоимости аккумуляторных ячеек за счёт перспективного массового внедрения кремниевых анодов, перехода к твёрдотельным электролитам, улучшения пик-фактора, технологического развития систем охлаждения батарей (что позволяет размещать в модуле больше ячеек), увеличения энергоёмкости (изменения содержания кобальта, алюминия, марганца и никеля в катодах) и повышения предельного напряжения ячейки до 5 В.

Основные целевые показатели развития СНЭ:

1. Снижение расхода дизельного топлива на энергоснабжение буровых до 20–30% (в зависимости от энергоёмкости СНЭ) при общем положительном экономическом эффекте по сравнению с буровыми, питаемыми только от ДЭС.

2. Увеличение ресурса/межремонтного периода ДЭС до 40%.

3. Отсутствие необходимости увеличивать численность буровой бригады, поскольку систему обслуживает энергетик/электронщик буровой компании.

4. Высокая автономность работы — проверка настроек один раз за смену.

5. Вывод из работы одной или двух ДЭС мощностью 1 МВт (в настоящее время используется от трёх до пяти таких установок).

6. Срок службы преобразователей частоты и аккумуляторных батарей — не менее 10 лет, остальных элементов — не менее 25 лет.

7. Срок окупаемости 2–5 лет за счёт экономии дизельного топлива и затрат на обслуживание ДЭС в зависимости от энергоёмкости СНЭ и технологической карты бурения, с учётом среднегодовых затрат на обслуживание 0,5 млн руб. в ценах 2020 г.

8. Возможность интеграции СНЭ во все энергосистемы, применяемые для питания буровых установок.

9. Возможность эксплуатации современных энергоёмких буровых установок (около 3 МВт) на слабых высоковольтных линиях и вдали от подстанций без ДЭС.

10. Снижение выбросов CO₂ от ДЭС суммарной мощностью 3–5 МВт до 25% в год.

Финансирование. Финансирование для проведения данного исследования не предоставлялось.

Заявления

Конфликт интересов. От имени всех соавторов автор для корреспонденции заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Открытый доступ. Статья распространяется по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии надлежащего указания авторства и источника, предоставления ссылки на лицензию Creative Commons и указания внесённых изменений. Изображения и иные материалы третьих лиц, содержащиеся в статье, включены в лицензию Creative Commons статьи, если в подписи к материалу не указано иное. Если материал не включён в лицензию Creative Commons статьи, а предполагаемое использование не разрешено законодательством или выходит за пределы разрешённого использования, необходимо получить разрешение непосредственно у правообладателя. Текст лицензии доступен по адресу: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Литература

Andrey C, El Idrissi Y, Van Nuffel L (2020) Study on energy storage – contribution to the security of the electricity supply in Europe. Publications Office of the European Union, Luxembourg

Anuchin AS (2015) Drive control systems. MPEI Publishing House, Moscow, Russia

Baccino F, Serra P, Buehler T, Kitimbo A, Morild U (2018) High-performance virtual generator BESS for distribution systems. Support applications analyzed in a hardware-in-the-loop simulation setup. CIRED Ljubljana Workshop on Microgrids and Local Energy Communities, #0362

Brown D, Hall S, Davis ME (2020) What is prosumerism for? Exploring the normative dimensions of decentralized energy transitions. Energy Res Soc Sci 66:10147. https://doi.org/10.1016/j.erss.2020.101475

Chervonchenko S, Frolov V (2020) Analysis of the voltage drop of a drilling rig connected to a local energy network. J Phys Conf Ser. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1753/1/012049

Daho T, Vaitilingom G, Ouiminga SK, Piriou B, Zongo AS, Ouoba S, Koulidiati J (2013) Influence of engine load and fuel droplet size on the performance of a CI engine fueled with cottonseed oil and its blends with diesel fuel. Appl Energy. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.05.059

Dai X, Wei K, Zhang X (2019) Analysis of the peak load leveling mode of a hybrid power system with flywheel energy storage in oil drilling rig. Energies Basel Switz. https://doi.org/10.3390/en12040606

Dehghani M, Bagheri M, Nurmanova V et al (2020) An improved PSO-GA based fuzzy controller of STATCOM for cascaded induction motors of drilling system. In: EEEIC and I&CPS Europe, Madrid, Spain. https://doi.org/10.1109/EEEIC/ICPSEurope49358.2020.9160618

Kholkin DV, Korev DA et al (2019) The use of energy storage systems in Russia: opportunities and barriers. NTI Energinet, Moscow, Russia. https://energynet.ru/library. Accessed 23 June 2021

Northern Drilling’s West Mira first rig to receive DNV GL battery (Power) class notation (2019) https://www.dnvgl.com/news/northern-drilling-s-west-mira-first-rig-to-receive-dnv-gl-battery-power-c.... Accessed 23 June 2021

Pavković D, Sedić A, Guzović Z (2016) Oil drilling rig diesel powerplant fuel efficiency improvement potentials through rule-based generator scheduling and utilization of battery energy storage system. Energy Convers Manage. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.05.022

Pouresmaeil E, Montesinos-Miracle D, Gomis-Bellmunt O (2012) Control scheme of three-level npc inverter for integration of renewable energy resources into AC Grid. IEEE Syst J. https://doi.org/10.1109/JSYST.2011.2162922

Rövekamp P, Schöpf M, Wagon F, Weibelzahl M, Fridgen G (2021) Renewable electricity business models in a post feed-in tariff era. Energy. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119228

Siemens Energy delivers energy storage solution for Maersk Drilling's first hybrid, low-emission jack-up drilling rig (2021) https://electricenergyonline.com/article/energy/category/ev-storage/143/881500/siemens-energy-delive.... Accessed 23 June 2021

Teichmann R, Bernet S (2005) A comparison of three-level converters versus two-level converters for low-voltage drives, traction, and utility applications. IEEE Trans Ind Appl. https://doi.org/10.1109/TIA.2005.847285

Udaltsov Y, Kholkin D et al (2018) Expert and analytical report distributed energy resources in Russia: development potential. Center for Strategic Research, Moscow, Russia. https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/Research/SKOLKOVO_EneC_DER_2018.10.09_Eng.pdf. Accessed 23 June 2021

Zhdaneev OV et al (2020) Technical policy issues of the Russian federation fuel and energy complex branches. Nauka, Moscow, Russia. https://doi.org/10.7868/9785020408241

Zhdaneev OV, Frolov KN (2020) Drilling technologies priorities in Russia. Oil industry, Moscow, Russia. https://doi.org/10.24887/0028-2448-2020-5-42-48

Zhdaneev OV, Frolov KN, Konygin AE, Gekhaev MR (2020) Exploration drilling on the Arctic and Far Eastern Shelf of Russia. Arctic: ecology and economics, Moscow, Russia. https://doi.org/10.25283/2223-4594-2020-3-112-125

Zhuk A, Denschikov K, Fortov V, Sheindlin A, Wilczynski W (2013) Hybrid energy storage system based on supercapacitors and Li-Ion batter