Индукционная плавка с использованием солнечной энергии в автономном режиме: эксплуатация литейного цеха без подключения к электросети.
Автономная индукционная плавка кажется невозможной, пока не увидишь её в действии. Литейный завод в Западной Австралии с 2022 года использует индукционную печь мощностью 2 МВт, работающую на солнечной энергии с аккумуляторным хранилищем, без подключения к электросети. Медеплавильный завод в пустыне Атакама в Чили с 2021 года использует индукционную печь мощностью 5 МВт, работающую на гибридной солнечно-дизельной системе. Предприятие по переработке металлолома в Мали с 2023 года использует индукционную печь мощностью 1 МВт, работающую на солнечной энергии и аккумуляторе. Технология реальна, производство работает, и экономическая целесообразность становится всё более привлекательной для удалённых предприятий.
Когда автономное энергоснабжение имеет смысл
Автономная индукционная плавка имеет смысл в трех ситуациях: удаленные объекты без доступа к электросети, объекты с ненадежным электроснабжением и объекты, где стоимость прокладки кабеля к электросети слишком высока. Первый случай является наиболее распространенным: горнодобывающие предприятия, нефтегазовые базы, военные базы и отдаленные населенные пункты нуждаются в плавке металла для технического обслуживания и изготовления металлоконструкций, а стоимость прокладки кабеля к удаленному объекту на расстояние от 50 до 100 км может превышать стоимость всей системы, включающей солнечную энергию и индукционную плавку.
Второй случай распространен на развивающихся рынках с нестабильной электросетью. Многие литейные заводы в Африке, Южной Азии и Юго-Восточной Азии теряют от 5 до 20 процентов производственного времени из-за отключений электроэнергии. Стоимость потерянного производства часто превышает стоимость резервной системы, включающей солнечную энергию и аккумуляторы, а резервная система также может обеспечивать основную часть энергии во время нормальной работы.
Третий случай распространен на развитых рынках, где стоимость расширения электросети высока. На западе США стоимость прокладки трехфазной линии на 10 км до нового промышленного объекта может превышать 1 миллион долларов США. Система солнечных батарей и аккумуляторов на том же объекте может стоить от 1,5 до 2 миллионов долларов США, но эта система независима от сети, и ее стоимость более предсказуема.
Расчет параметров системы для автономной работы
Автономная индукционная плавка с использованием солнечной энергии требует тщательного расчета размеров системы. Солнечная фотоэлектрическая батарея должна вырабатывать достаточно энергии в течение года, чтобы покрыть потребление печи, а аккумуляторная батарея должна быть достаточно большой, чтобы справляться с многодневными облачными периодами и ночной работой.
Для индукционной печи мощностью 2 МВт, работающей 5000 часов в год (примерно 14 часов в сутки, 365 дней в году), годовое потребление энергии составляет 10 ГВт·ч. Солнечная фотоэлектрическая батарея на участке с высокой инсоляцией (5–6 кВт·ч на квадратный метр в сутки) может производить от 1500 до 1800 кВт·ч на кВт в год, поэтому требуемая мощность фотоэлектрической системы составляет от 5,5 до 6,7 МВт. Аккумуляторная батарея должна обеспечивать работу в течение 12–16 часов при средней потребляемой мощности (60–75 процентов от номинальной мощности), что составляет от 15 до 25 МВт·ч.
Общая стоимость автономной солнечной индукционной плавильной установки мощностью 2 МВт, расположенной в районе с высокой инсоляцией, составляет от 12 до 18 миллионов долларов США, в зависимости от подготовки площадки, размера системы хранения энергии (BESS) и сложности системы управления. Затраты амортизируются в течение 20-25 лет, а эксплуатационные расходы в основном приходятся на замену системы хранения энергии на 12-15-м году эксплуатации.
Гибридные солнечно-дизельные системы
Для объектов, требующих круглосуточной работы и не допускающих риска истощения запасов энергии в системе хранения энергии (BESS), гибридная солнечно-дизельная система является оптимальным решением. Дизель-генератор обеспечивает резервное питание, а система, состоящая из солнечных батарей и BESS, покрывает от 60 до 80 процентов годового энергопотребления. Дизель-генератор работает при нагрузке от 80 до 100 процентов, что является наиболее эффективным режимом работы, а топливная эффективность значительно выше, чем у системы с плавающей загрузкой.
Гибридная солнечно-дизельная система мощностью 5 МВт для медеплавильного завода в Чили включает в себя 12 МВт фотоэлектрических панелей, 15 МВт·ч системы хранения энергии и 5 МВт дизельной генерации. Система работает уже 3 года, при этом 75% энергии поступает от солнечных батарей, а потребление дизельного топлива снизилось на 70% по сравнению с предыдущей системой, работавшей исключительно на дизельном топливе. Срок окупаемости инвестиций в солнечную систему с системой хранения энергии составляет от 6 до 8 лет при местных ценах на электроэнергию и дизельное топливо.
Системы управления микросетями
Система управления микросетью является сердцем автономной установки. Система координирует выработку солнечной энергии, состояние заряда системы хранения энергии (BESS), работу дизель-генератора (если таковой имеется) и нагрузку отопительной системы. Цели управления: максимизировать вклад солнечной энергии, поддерживать состояние заряда BESS в безопасных пределах и обеспечивать постоянную подачу необходимой мощности отопительной системе.
Стандартная архитектура управления представляет собой главный контроллер, взаимодействующий с фотоэлектрическим инвертором, системой управления системой хранения энергии, контроллером дизель-генератора и системой управления печью. Главный контроллер использует алгоритм прогнозирующего управления (MPC), который прогнозирует выходную мощность фотоэлектрической системы (используя прогнозы погоды и исторические данные) и регулирует потребление мощности печи для максимизации вклада солнечной энергии.
Компания MONTE INTELLIGENCE поставляет системы управления микросетями для автономных и гибридных установок индукционной плавки с использованием солнечной энергии. Система управления интегрирована с системой управления печью и обеспечивает единый интерфейс HMI для оператора.
Операционные проблемы
Автономная индукционная плавка с использованием солнечной энергии сопряжена с эксплуатационными трудностями, которых нет при работе в сетях. Первая трудность — управление состоянием заряда системы накопления энергии (BESS). Глубокий разряд BESS может повредить элементы, и мощность печи необходимо регулировать, чтобы предотвратить разряд ниже безопасного предела. Система управления должна передавать оператору печи информацию о доступной мощности, а оператор должен быть обучен управлению нагрузкой.
Вторая проблема — пыль и экстремальные температуры. Солнечные фотоэлектрические батареи в удаленных местах накапливают пыль, которая может снизить выработку энергии на 10–30 процентов. Фотоэлектрические батареи нуждаются в регулярной очистке, а системы хранения энергии требуют регулирования температуры для предотвращения термических повреждений в жарком климате.
Третья проблема — это квалификация специалистов по техническому обслуживанию. На удаленных объектах редко бывают квалифицированные специалисты по солнечным фотоэлектрическим системам или системам хранения энергии, и техническое обслуживание приходится проводить с выездом специалистов. Компания MONTE INTELLIGENCE предлагает услугу удаленного мониторинга, которая отслеживает производительность системы и направляет специалистов, когда системе требуется обслуживание.
Четвертая проблема — это поставка топлива (для гибридных систем). Дизельное топливо необходимо доставлять на удаленный объект, и цепочка поставок может быть нарушена. Система хранения энергии с запасом на 8–12 часов может пережить задержку с поставкой топлива, а резервная солнечная батарея может поддерживать заряд системы даже при отсутствии дизельного топлива.
Пример из практики: Автономный литейный завод в Мали
Предприятие по переработке металлолома в Бамако, Мали, с 2023 года использует индукционную печь мощностью 1 МВт, работающую на солнечной энергии и системе хранения энергии (BESS). Система включает в себя 2,5 МВт фотоэлектрических панелей, 4 МВт·ч литий-железо-фосфатных аккумуляторов и инвертор мощностью 1 МВт, подключенный к сети (сеть используется в качестве резервного источника). Система обеспечивает 75 процентов годовой выработки энергии за счет солнечной энергии, а оставшиеся 25 процентов поступает из сети. Годовая стоимость энергии составляет 0,06 доллара США за кВт·ч, по сравнению с 0,15 доллара США за кВт·ч при использовании только сети. Система была профинансирована международным банком развития, а срок окупаемости составляет 7 лет.
Обратитесь в компанию MONTE INTELLIGENCE по вопросам автономной солнечной индукционной связи.
Для покупателей, рассматривающих автономную или гибридную установку индукционной плавки на солнечных батареях, инженеры MONTE INTELLIGENCE могут смоделировать размер системы, эксплуатационные расходы и экономию выбросов углерода для конкретного объекта. Модель включает в себя оценку солнечных ресурсов, расчет мощности системы хранения энергии (BESS), проектирование системы управления и требования к резервному питанию от сети. Посетите сайт.www.cnlymonte.com/products-solar-induction-furnace.html Для получения технических характеристик продукции и примеров использования, пожалуйста, свяжитесь с нами. Для обсуждения проекта, отправьте электронное письмо по адресу helenxu@cnlymonte.com с темой «Автономная солнечная индукционная система» и укажите подробную информацию о вашем объекте, размере печи и времени работы.
