Обеспечение связью сегодня стало неотъемлемой частью жизнеобеспечения человечества, мобильной связью в мире пользуются более 4 млрд абонентов. По оценкам [1], в 2024 году в мире насчитывалось 4,93 млн вышек сотовой связи (ВСС), к 2033 году их число вырастет до 5,9 млн.

По разным оценкам, число автономных ВСС в мире достигает 650 тыс. штук. В России, по оценкам [2], общее число ВСС превышает 150 тыс. штук (первое место в Европе), число автономных ВСС (оценка авторов на базе планов Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации) в нашей стране может достигать 30 тыс. штук [3]. Энергоснабжение не подключённых к централизованным сетям ВСС в основном обеспечивается за счёт электроэнергии, вырабатываемой дизельной генерацией. Вместе с тем есть альтернативные варианты энергоснабжения ВСС, в которых кроме дизельных электростанций также применяются возобновляемые источники энергии (ВИЭ) — солнечная и ветровая генерация и системы накопления энергии (СНЭ) [4].

Энергопотребление ВСС можно разделить на две составляющие: потребление основного оборудования базовых станций сотовой связи (БССС) и потребление климатической системы. Основное оборудование БССС выделяет в качестве тепла до ⅔ от потребляемой им энергии, поэтому климатические системы в основном работают на охлаждение [5]. Оборудование БССС работает на постоянном токе, электроэнергия, как видно на рис. 1, поступает на оборудование с аккумуляторных батарей (напряжение 48 В).


Рис. 1. Типовая схема энергоснабжения вышки сотовой связи

В России оборудование ВСС являются объектами второй категории, до 2013 года нормативная документация предусматривала для всех (сетевых и автономных ВСС) обязательное суточное резервирование энергопотребления по максимальной мощности БССС за счёт накопителей энергии [6]. После 2013 года пункт о резервировании убрали, но до сих пор накопители энергии стоят практически на всех ВСС и на всех ВСС с автономным энергоснабжением.

Поскольку пики потребления БССС в основном приходятся на летнее время, когда уровень солнечной радиации высок и потребление климатической системы на охлаждение оборудования БССС максимально, логичным шагом со стороны отрасли является использование фотовольтаических панелей, выработка которых также коррелирует с солнечной радиацией. В 2004 году компания «Вымпелком» впервые поставила на изолированную ВСС солнечные панели, сегодня такие решения используются на многих автономных БССС [7]. На некоторых объектах, например, таких, как вышка сотовой связи в посёлке Огоньки Сахалинской области, также расположены небольшие ветровые электростанции, на двух вышках сотовой связи золотодобывающей компании «Полюс» используются водородные системы хранения энергии [5, 8].

Мировой опыт также показывает, что основным решением для автономного энергоснабжения БССС являются гибридные решения на базе солнечной и (или) ветровой генерации, дизельной генерации и аккумуляторных батарей. Решения по проточным Redox-батареям и водородным СНЭ используются крайне редко для регулирования суточной, а не сезонной нагрузки.

Моделирование систем энергоснабжения ВСС

В рамках исследования для общего случая автономного энергоснабжения были рассмотрены пять возможных варианта автономных гибридных энергокомплексов АГЭК (во всех случаях присутствует система хранения энергии на 24 часа работы оборудования ВСС по максимальной нагрузке). Это следующие варианты:

  • дизельная генерация;
  • дизельная и солнечная генерация;
  • солнечная генерация + аккумуляторы;
  • солнечные панели + альтернативные водородный СНЭ;
  • солнечные панели + проточная батарея Redox (окислительно-восстановительная).

В табл. 1 рассмотрены основные преимущества и недостатки рассматриваемых вариантов. Вариант с использованием дизельного топлива отличается высоким углеродным следом и завязан на внешние поставки дизельного топлива. Вариант ДЭС + СЭС позволяет снизить внешние поставки дизтоплива, однако не позволяет полностью от них отказаться. Варианты СЭС + накопители позволяют рассматривать полностью автономное энергоснабжение ВСС с существенным снижением углеродного следа, однако они более капиталоёмкие и целесообразны только при высоких затратах на дизельное топливо.

Для выбора оптимального варианта энергоснабжения БССС в качестве критериев взяты минимальная текущая стоимость электроэнергии и сокращение углеродного следа. В табл. 2 дана оценка авторов по минимальной стоимости электроэнергии, при которых варианты становятся экономически целесообразными.

В России стоимость электроэнергии на изолированных территориях варьируется от 30 до 3200 руб/ кВт·ч, что обусловлено высокой стоимостью доставки топлива и ограниченными возможностями энергоснабжения [10]. Стоимость дизельного топлива составляет от 60 до 500 руб/кг, что вызвано сложной логистикой. В зависимости от стоимости выработки электроэнергии (табл. 2) разные решения по энергоснабжению ВСС становятся экономически рентабельными и могут рассматриваться с других точек зрения, таких как надёжность и автономность энергоснабжения, снижение углеродного следа.


КС-1 «Байдарацкая» — самая северная в мире. Общая мощность агрегатов — 192 МВт

Пример в ЯНАО

В рамках НИР было проведено моделирование энергоснабжения вышки сотовой связи мощностью 3 кВт, которую расположили в районе линейной компрессорной станции КС-1 «Байдарацкая» магистрального газопровода «Бованенково — Ухта» в Ямало-Ненецком автономном округе (ЯНАО). Изначально было определено, что оборудование вышки сотовой связи запитано энергией от батареи постоянного тока напряжением 48 В, ёмкость батареи взята 72 кВт·ч (24 часа работы на полной мощности ВСС), рис. 2.


Рис. 2. Потребление электроэнергии оборудования вышки сотовой связи

В рамках исследования было принято, что из 3 кВт общей мощности ВСС потребляемая мощность оборудования ВСС составит 2 кВт, а 1 кВт оставлен на работу кондиционера и на резерв. Как видно из рис. 2, суточное потребление энергии в летний период возрастает по сравнению с зимним периодом. Это вызвано необходимостью охлаждения оборудования.


Рис. 3. Выработка электроэнергии солнечной электростанцией (СЭС) гибридной АГЭК

Учитывая, что стоимость дизельного топлива для выбранного объекта относительно невысока (для моделирования она взята 80 руб/кг), варианты с полным отказом от дизельного топлива оказываются экономически нецелесообразными. Поэтому исходя из табл. 2 был выбран вариант на базе автоматизированного гибридного энергокомплекса (АГЭК) с использованием дизельной и солнечной генерации. Из рис. 3 видно, что в период с апреля по сентябрь солнечная генерация активно участвует в энергобалансе ВСС, в то время как в период с сентября по апрель основная нагрузка приходится на ДЭС. Рассчитано, что при базовом варианте с выработкой электроэнергии от ДЭС в течение года дизельным генератором вырабатывается 20565,2 кВт·ч электроэнергии при расходе 5141,3 л дизельного топлива (табл. 3). Снижение выбросов парниковых газов при таком варианте составляет 6,9 тонн.

Проведённый в табл. 4 технико-экономический расчёт показывает, что срок окупаемости проекта при принятых в миделе показателях не превышает пяти лет (без учёта дисконтирования и роста стоимости дизельного топлива), а ежегодная экономия за счёт снижения закупок и доставки дизельного топлива составляет 175472 руб. Годовое снижение выбросов парниковых газов в этом случае составляет 6,9 тонн CO2-эквивалента.

Выводы

Сегодня связь является важным звеном для обеспечения жизнедеятельности населённых пунктов и промышленных объектов в мире и в России. Связь необходима как для обеспечения безопасности и жизнеобеспечения местного населения, так и для нужд промышленных объектов, в первую очередь для нефтегазовой отрасли. Базовые станции сотовой связи в удалённых районах Крайнего Севера, включая Ямало-Ненецкий автономный округ, зачастую функционируют в условиях полной изоляции от централизованных электрических сетей.

В большинстве случаев электроснабжение таких станций осуществляется с помощью дизельных электростанций (ДЭС). Это объясняется надёжностью технологии, отсутствием необходимости в длительной инсоляции или особых природных условиях. Однако эксплуатация ДЭС в арктическом регионе сопряжена с рядом существенных ограничений, таких как сложная логистика, высокие эксплуатационные расходы и низкая эффективность. В то же время рост внимания к вопросам декарбонизации, развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и водородных технологий открывает новые возможности для создания автономных, устойчивых и низкоуглеродных энергетических систем. Применение солнечных электростанций в сочетании с системами накопления энергии на водороде представляется перспективным направлением для замещения дизельной генерации на объектах базовых станций сотовой связи.

Применение возобновляемых источников энергии и накопителей энергии одновременно с дизельной генерацией можно считать типовыми решениями для изолированных базовых станций сотовой связи. Вместе с тем примеров по полной замене дизельного топлива на комбинацию «ВИЭ + накопитель энергии» практически нет. Это связанно с пока ещё высокой стоимостью альтернативных решений, рассмотрение которых может быть целесообразным только при высокой стоимости дизельного топлива.


КС «Пикалевская», входящая в состав газопровода «Грязовец — Выборг»

На примере изолированной БССС в ЯНАО показано, что использование солнечной генерации в телекоммуникационной сфере может давать экономический и экологический эффекты. Это связано с тем, что значительная часть энергии расходуется на охлаждение объектов: расход энергии, как и выработка энергии СЭС, возрастают летом при высоком уровне солнечной радиации.