Накопители энергии: технологии и тренды

В настоящее время под влиянием цифровизации, распределенной генерации и автоматизации активно развивается новая модель электроэнергетики. В условиях перехода к интеллектуальному управлению и низкоуглеродной экономике возрастает потребность в системах накопления энергии (СНЭ) – устройствах, которые используются для обеспечения бесперебойного электроснабжения либо в качестве эффективного инструмента поддержки энергосистемы в периоды краткосрочной нестабильности. Кроме того, накопители играют важную роль в автономных системах с использованием возобновляемой энергии, повышая стабильность и надежность энергообеспечения потребителей.

В XXI веке появилось множество новых технологий, полностью меняющих окружающий мир. Какие-то из них просто облегчают жизнь человека, другие вносят в нее кардинальные перемены. Кроме них есть и те, что уже в ближайшем будущем коренным образом способны изменить всю структуру мировой экономики. К таким технологиям, по мнению аналитиков международной консалтинговой компании McKinsey Global Institute, относятся системы накопления и хранения энергии в больших масштабах.

Накопители энергии – это системы, способные одновременно и синхронно производить и потреблять ресурс, а также хранить энергию в различных формах с использованием топливных элементов, аккумуляторов, конденсаторов, маховиков, сжатого воздуха, гидроаккумуляторов, супермагнитов, водорода и т. д.

По оценкам экспертов исследовательской компании BloombergNEF (BNEF), к концу 2030 года емкость СНЭ (без учета мощности гидроаккумулирующих электростанций) возрастет до 358 ГВт/1 028 ГВт*ч, что в 21 раз превышает показатель, зафиксированный в 2020 году (17 ГВт/34 ГВт*ч).

Ожидается, что в период 2021-2030 гг. суммарная емкость систем накопления энергии в мире возрастет на 345 ГВт, что сопоставимо с мощностью нынешней энергосистемы Японии.

В отчете BNEF «2021 Global Energy Storage Outlook» исследователи отмечают, что стремительное развитие рынка накопителей потребует инвестиций в сумме, превышающей 262 млрд долл. По некоторым оценкам, к 2035 году в технологии накопления и хранения электроэнергии может быть инвестировано от 500 до 700 млрд долл.

Перспективная технология

Рост спроса на электротранспорт в мире и курс мировой экономики на декарбонизацию стали основными драйверами роста объемов рынка СНЭ. Системы накопления открывают новые возможности для повышения качества управления режимами и улучшения экономических показателей функционирования энергетики на всех этапах производства, передачи и распределения электроэнергии. Поэтому прорывной технологией заинтересовались многие развитые страны.

По оценкам экспертов, двумя крупнейшими рынками, на которых к 2030 году будут функционировать более 50% глобальных систем хранения энергии, являются США и Китай.

Отдельные штаты и энергетические предприятия объявили о своем стремлении к чистой энергетике, что способствует быстрому развертыванию накопителей в США. Китай планирует построить новые СНЭ суммарной мощностью 30 ГВт к 2030 году.

Ускоренное внедрение устройств хранения энергии стимулируют более строгие правила интеграции ВИЭ в существующие модели энергорынков. Многие специалисты уверены в том, что возобновляемые источники энергии требуют особой гибкости энергосистемы и не могут нормально работать без устройств накопления электроэнергии.

В число крупнейших участников рынка накопителей также входят Индия, Австралия, Германия, Великобритания и Япония. Общей движущей силой, стимулирующей развитие перспективной технологии в этих странах, является политическая поддержка, взятые на себя амбициозные обязательства в отношении климата и растущая потребность в гибкой генерации энергоресурсов, соответствующей потребностям энергосистем.

Например, в Германии для развития накопительных устройств был разработан государственный проект стоимостью 25 млн евро. В рамках этого проекта гранты предоставляются тем потребителям, кто готов интегрировать накопители в существующие системы фотоэлектрических панелей.

В 2020 году в стране было установлено 88 тыс. бытовых накопителей, а их общее число достигло отметки в 272 тыс. штук. Ожидается, что в Германии к 2030 году емкость СНЭ должна возрасти с нынешних 2,4 ГВт*ч до 18 ГВт*ч.

Йи Чжоу, специалист по чистой энергии в BNEF и ведущий автор отчета «2021 Global Energy Storage Outlook», утверждает, что снижение стоимости аккумуляторных батарей и увеличение доли альтернативной энергетики в мировой генерации электричества делают накопители неотъемлемым гибким ресурсом во многих энергосистемах. При этом увеличивается масштаб проектов с использованием систем накопления энергии, растут сроки хранения и реализованные решения всё чаще сочетаются с ВИЭ.

Аналитики из BNEF утверждают, что 55% СНЭ, построенных к 2030 году, будут обеспечивать сдвиг энергопотребления (перенос потребления выработки «зеленых» электростанций на время, когда потребность выше) и возможность строительства комбинированных объектов, в которых технологии альтернативной энергетики (особенно солнечной и ветряной генерации) интегрируются с аккумуляторными хранилищами. В перспективе это станет обычным явлением во всём мире.

По оценкам специалистов, к 2030 году объем накопителей, установленных на бытовых, коммерческих и промышленных объектах, составит около 25% мировых установок СНЭ.  Функцию основной движущей силы будет выполнять желание потребителей использовать больше собственной солнечной энергии и иметь в своем распоряжении резервный источник питания.

Области применения СНЭ

Системы накопления энергии способны одновременно управлять активной и реактивной мощностью, выполнять функцию фильтра высших гармоник, компенсировать ассиметричные напряжения. На сегодняшний день стоимость аккумуляторных хранилищ достаточно высока, поэтому эффективность СНЭ может быть повышена за счет совмещения в одном устройстве нескольких функций.

 Накопители электрической энергии позволяют решить ряд важных задач:

1. Повышение эффективности объектов генерации с использованием ВИЭ и их интеграция в традиционные энергетические системы. Мощность «зеленых» электростанций (прежде всего СЭС и ветропарков) спрогнозировать сложно. Стохастичностью отличаются также и графики нагрузки потребителей. Соблюдение баланса активной мощности приводит к ее недоиспользованию при профиците энергии или становится причиной ограничения нагрузки в условиях ее нехватки.  

Системы накопления дают возможность согласовать графики генерации и потребления электричества. При этом обеспечивается полная загрузка электростанции по фактическому значению потока ветровой и солнечной энергии.

Процесс управления работой энергосистемы усложняется по мере того, как в ее структуре увеличивается доля выработки солнечных и ветровых станций. Одним из наиболее эффективных решений этой задачи специалисты называют создание технических комплексов «ВИЭ-СНЭ», позволяющих поддерживать баланс между генерацией и энергопотреблением и оптимизировать управление потоками мощности от регенеративных источников.

2. Регулирование частоты и перетоков активной мощности в автоматическом режиме. Любое нарушение баланса активной мощности становится причиной изменения частоты в энергосистеме. Аккумуляторные хранилища обеспечивают автоматическую поддержку частоты в пределах нормативных значений. Они могут быть использованы в качестве резерва первичного и вторичного регулирования частоты.

Благодаря быстрому действию, эти устройства могут одновременно выполнять функции как первичного, так и вторичного резерва активной мощности. Их функционал позволяет оперативно (в течение нескольких секунд) устранять дисбалансы активной мощности, что существенно повышает качество регулирования частоты в случае возникновения значительных перепадов.

Установка СНЭ в узлах энергетической системы способна обеспечить снижение аварийных перетоков при дисбалансе активной мощности и таким образом повышать максимально допустимые перетоки в контролируемых сечениях в нормальных режимах.

3. Выравнивание суточных графиков нагрузки. Потребление электрической энергии, а главное мощности, в разное время суток происходит неравномерно. Энергоемкий мощный накопитель может выравнивать график нагрузки за счет накопления электроэнергии ночью, когда ее стоимость минимальная, и возвращать в сеть в часы дневного пикового энергопотребления с наиболее высокими ценами на электричество.

Выравнивание суточного графика позволяет снизить потребность в пиковой мощности энергосистемы и уменьшить перетоки по линиям электропередачи в часы максимума потребления.

4. Предотвращение снижения напряжения. Изменение режима работы энергосистемы и возникновение аварийных ситуаций приводят к изменениям уровней напряжения в сетях. СНЭ, установленные в узлах нагрузки, позволяют в темпе переходных процессов поддерживать необходимый уровень напряжения и способны регулировать его по любому заданному закону. Это дает возможность предотвратить отключение потребителей, минимизировать перетоки реактивной мощности по ЛЭП и снизить вероятность развития лавины напряжения.
5. Увеличение пропускной способности линии электропередач. Обеспечение электроэнергией крупных потребителей или удаленных промышленных районов, которые в силу ряда причин невозможно подключить к единой энергетической системе страны, в большинстве случаев осуществляется по ЛЭП, относящимся к слабым связям.

По мере увеличения энергопотребления появляется необходимость строительства дополнительных линий электропередачи, которые используются для покрытия возрастающего дефицита пиковой мощности или возведения нового объекта генерации в месте потребления электричества.

В качестве альтернативного варианта специалисты предлагают установку аккумуляторного хранилища на приемном конце электропередачи, которое позволит перераспределять передаваемую электрическую энергию и таким образом сглаживать график загрузки.

Это обеспечивает передачу большего количества энергии без превышения максимально допустимого значения мощности, что дает возможность отдалить строительство дополнительных ЛЭП.

6. Повышение надежности электрообеспечения наиболее важных потребителей, перерыв в энергоснабжении которых может стать причиной несчастных случаев и крупных аварий. Кроме того, из-за выхода из строя целых комплексов оборудования и взаимосвязанных систем потребителям может быть причинен большой материальный ущерб.

Потребители особой группы должны быть обеспечены независимыми источниками питания, например, аварийными дизельными генераторами. За время пуска и подключения генераторных установок к системе энергоснабжения выбег электродвигателей существенно увеличивается, поэтому в момент самозапуска асинхронных электродвигателей могут возникать недопустимо большие токи. Это «качание» может быть настолько велико, что синхронные двигатели выпадают из синхронизма.

Внедрение в систему электроснабжения устройств накопления энергии способно обеспечить питание потребителей до момента включения аварийного генератора, что позволит улучшить качество энергообеспечения.

7. Использование СНЭ для подавления низкочастотных колебаний режимных параметров. В энергообъединениях существует риск возникновения низкочастотных колебаний параметров режима в диапазоне частот 0,1-2 Гц. При недостатке демпфирующих свойств в энергосистеме возрастает опасность «развития» колебательного процесса. Это может стать причиной нарушений устойчивости и каскадного развития аварийной ситуации. Многофункциональность накопителей и быстродействие систем накопления энергии позволяют подавлять такие колебания при первых признаках их появления.
8. Оптимизация установленной мощности генераторов и снижение расхода топлива на автономных объектах генерации. Как правило, на автономных электростанциях устанавливаются дизельные, газопоршневые и газотурбинные генераторы. В большинстве случае их коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) находится в пределах 0,25-0,35, что приводит к повышенному расходу топлива.

Внедрение СНЭ в оборудование автономных электростанций дает возможность уменьшить установленную мощность генераторов (вплоть до среднего значения графика нагрузки), обеспечить высокий коэффициент загрузки генераторных агрегатов и существенно сократить расход топлива, но при этом сохранить максимальную мощность и объем выработки электричества.

9. Сглаживание резко переменной нагрузки. Потребители большой мощности с резко переменным характером нагрузки оказывают негативное влияние на работу энергосистемы. Колебания мощности по питающим ЛЭП приводят к росту потерь активной мощности, понижают уровень статической и динамической устойчивости энергосистемы. Кроме того, из-за них увеличивается вероятность развития низкочастотных колебаний режимных параметров.

Установка аккумуляторного хранилища в угле нагрузки позволяет предотвратить нежелательные отклонения режимных параметров и стабилизировать их в установленных пределах.

10. Повышение качества электрической энергии в узлах энергосистемы с мощной резко переменной нагрузкой. В таких узлах нагрузка провоцирует возникновение скачкообразных изменений величины и фазы напряжения, способствует искажению формы кривой напряжения. Кроме того, это может препятствовать обеспечению качества электроэнергии.

Быстродействующая СНЭ дает возможность обеспечивать основные показатели качества. Прежде всего, речь идет о поддерживании заданного уровня напряжения и подавлении высших гармоник. Поставленные задачи могут быть решены при условии, что устройство накопления обладает достаточным ресурсом и оснащено адаптивной системой управления.

11. Противоаварийное управление. Устройства противоаварийной автоматики (ПА) предназначены для автоматического реагирования на возникновение в энергосистеме утяжеленного или аварийного режимов и возвращения ее к нормальному режиму работы. ПА обеспечивают живучесть энергосистемы, сохранность оборудования и повышают допустимые перетоки по линиям электрических сетей.

Многофункциональность и быстродействие СНЭ позволяют использовать накопители в качестве инструмента противоаварийного управления.

В случае возникновения аварийной ситуации по соответствующему сигналу традиционной системы противоаварийной автоматики СНЭ способна корректировать процессы, происходящие в энергосистеме, за счет выдачи или потребления мощности со временем отклика около 5 мс.

Система накопления энергии может эффективно выполнять функции автоматических устройств, обеспечивающих:

- предотвращение устойчивости и устранение асинхронных режимов;

- ограничение снижения и повышения частоты;

- ограничение снижения и повышения напряжения;

- ограничение или предотвращение перегрузки оборудования.

При этом «штатные» устройства ПА дублируют включенные в функционал накопителя функции в качестве средств резервной автоматики. В целом, эффективность системы противоаварийной автоматики существенно повышается за счет дополнительных возможностей, влияющих на изменение режимных параметров.

12. Повышение эффективности гибридных электростанций, оснащенных аккумуляторными хранилищами. В России на территориях, не подключенных к Единой энергетической системе страны, выработку электроэнергии обеспечивают тысячи автономных дизельных электростанций. На закупку и доставку топлива для этих энергообъектов расходуется около 40% региональных бюджетов.

В последние годы ситуация начала меняться благодаря внедрению гибридных электростанций на основе ВИЭ. Энергия солнечного света и ветра в сочетании с дизель-генераторными агрегатами дает возможность обеспечить непрерывную подачу электричества потребителям независимо от силы ветра, погодных условий и других факторов.

Оснащение гибридных электростанций аккумуляторными хранилищами энергии существенно повышает их эффективность. Все источники получения электричества в гибридной установке связаны между собой линиями подачи постоянного тока, которые заряжают аккумуляторы. Использование накопителей позволяет оптимизировать потоки энергии и хранить ее невостребованные объемы, полученные при избытке альтернативной генерации.

Затраты на капитальное строительство гибридных энергообъектов на базе ВИЭ всё еще достаточно высоки, но в дальнейшем вложенные средства окупаются за счет дешевой эксплуатации. Кроме того, себестоимость генерации с использованием возобновляемых источников ниже, что позволяет снизить цены для потребителей или увеличить рентабельность работы энергокомпании.

13. Компенсация реактивной мощности и оптимизация её перетоков. На накопители, установленные в узлах энергосистемы, в дополнение к функции управления активной мощностью может быть возложена задача управления реактивной мощностью. Это позволит заменить традиционные устройства управления, регулирования и компенсации.

Быстродействие аккумуляторного хранилища и способность как потреблять, так и выдавать реактивную мощность, дают возможность использовать его не только для регулирования нормальных режимов, но и решать задачи противоаварийного управления.

14. Замещение «вращающегося» резерва. Быстродействие СНЭ идеально подходит для выполнения функции «вращающегося» резерва. Для решения поставленной задачи можно использовать специальное накапливающее устройство, которое включается в режим выдачи мощности только в случае необходимости введения резерва в действие. В те моменты, когда накопитель задействован для выполнения других функций, его также можно задействовать для «вращающегося» резерва при условии, что устройство обладает достаточным запасом энергии.
15. Защита генераторов от резких изменений нагрузки. Скачкообразное изменение амплитуды нагрузки в энергосистемах различных типов (автономных, изолированных и работающих в островном режиме) может привести к аварийным отключениям газопоршневых генераторных установок, которые необычайно чутко реагируют на перепады мощности. В то же время технико-экономические характеристики таких генераторов идеально подходят для использования в автономных энергосистемах предприятий нефтегазовой отрасли, которые, как правило, не подключены к единой энергосистеме страны.

Быстродействующие накопительные устройства способны эффективно решать поставленную задачу за счет сглаживания фронтов импульсов нагрузки, предотвращая аварийное отключение газопоршневых установок. Примечателен тот факт, что это не требует установки накопителя с большой энергоемкостью.

16. Демпфирование нерегулярных колебаний активной мощности. При проектировании, а также в процессе эксплуатации энергосистем необходимо поддерживать перетоки мощности по сечениям с учетом обеспечения запаса статической устойчивости. Нерегулярность колебаний перетоков между элементами энергообъединения появляется в результате несоответствия между выработкой электроэнергии и потреблением.

Такие колебания имеют нерегулярный характер. Чем выше их амплитуда, тем ниже расчетный коэффициент запаса статической устойчивости. Снижение амплитуды нерегулярных колебаний с помощью накопительного устройства дает возможность увеличить переток по сечению.

Рынок накопителей в России

В России рынок накопителей находится на начальном этапе развития. До 2018 года накопление и хранение энергии в промышленных масштабах было возможно лишь благодаря гидроаккумулирующим электростанциям. По оценкам аналитиков, на сегодняшний день около 99% электричества в стране хранится «по старинке». Однако этот метод имеет свои ограничения и не удовлетворяет потребности индустрии.

Пусть и с существенным отставанием, но Российская Федерация всё же приступает к формированию рынка СНЭ и начинает внедрять накопители в различные секторы экономики. При условии, что будут предприняты правильные и своевременные действия в стране может быть сформирована новая высокотехнологичная отрасль, открывающая принципиально новые возможности для развития электроэнергетики.

 В августе 2017 года Минэнерго РФ опубликовало «Концепцию развития рынка систем хранения электроэнергии в Российской Федерации». В документе сформулированы приоритеты и ключевые меры для создания в России новой перспективной отрасли, а также названы основные сценарии развития рынка СНЭ.

            Документ содержит рекомендации для формирования промышленного потенциала. В частности, в среднесрочной перспективе рекомендуется:

• Развивать инженерные и инжиниринговые компетенции для создания накопителей и реализации комплексных решений на базе устройств накопления электрической энергии;
• Осуществлять трансфер перспективных доступных технологий и интегрировать в них конкурентоспособные компоненты отечественного производства;
• Развивать собственный промышленный потенциал.

Согласно Концепции, исследования и разработки необходимо сосредоточить на следующих крупных направлениях:

• Разработка аккумуляторных хранилищ малой и средней мощности, которые будут отличаться большим сроком службы и низкой стоимостью эксплуатации;
• Разработка критических элементов СНЭ (аккумуляторные ячейки, силовые преобразовательные устройства, системы управления и т.п.);
• Разработка систем хранения электричества большой мощности с низкими капитальными затратами;
• Разработка технологий и методик недорогого и безопасного получения, транспортировки и применения водорода;
• Проведение комплексных исследований для создания СНЭ следующего поколения.

Для достижения поставленных целей Министерство энергетики РФ предложило оказать содействие в осуществлении ряда пилотных проектов, поддержать реализацию обеспечивающих НИОКР, устранить регуляторные барьеры, разработать инструменты стимулирования спроса на СНЭ, содействовать развитию рынка, стимулировать развитие рынка, осуществлять меры по развитию научно-технологической инфраструктуры.

28 февраля 2022 года Правительство РФ выпустило распоряжение № 356-р «О подписании соглашения о намерениях между Правительством Российской Федерации и Государственной корпорацией по атомной энергии «Росатом» в целях развития в Российской Федерации высокотехнологичной области «Технологии создания систем накопления электроэнергии, включая портативные».

Взаимодействие Правительства и «Росатома» призвано ускорить технологическое развитие и способствовать достижению Россией лидирующих позиций на глобальных технологических рынках СНЭ. Для реализации поставленной цели разрабатывается «дорожная карта», которая определяет ключевые показатели технологического развития и содержит план мероприятий по их достижению.

Заместитель Председателя Правительства РФ Александр Новак отметил, что в перспективе разработка собственных технологий и систем накопления энергии может оказать синергический эффект на многие отрасли отечественной промышленности.

Продвижение России по пути прогресса будет способствовать созданию в стране собственного электрического автотранспорта. Эта задача обозначена в «Концепции по развитию производства и использования электрического автомобильного транспорта в Российской Федерации на период до 2030 года».

Электротранспорт. Концепция разработана в соответствии с Федеральным законом «О стратегическом планировании в Российской Федерации» и утверждена соответствующим распоряжением Правительства РФ от 23 августа 2021 года № 2290-р.

Согласно этому документу, к концу 2024 года в России будет выпущено не менее 25 тыс. электромобилей и построено 9,4 тыс. зарядных станций. К 2030 году каждый десятый сошедший с конвейера автомобиль должен быть электрическим, а количество электрозаправок увеличено в 7,6 раза. Сумма инвестиций оценивается в 591 млрд руб. до 2030 года, из них более 80% приходится на долю внебюджетных источников.

Пока основным проектом развития электротранспорта в России является «Московский электробус». В конце 2021 года в столицу был доставлен тысячный автобус с электродвигателем. В качестве питания он использует аккумуляторные батареи, а в осенне-зимний период – дополнительно дизельный отопитель.

Московские электробусы работают по принципу ультрабыстрой зарядки. В них установлены литий-титанатные батареи. В качестве анода в аккумуляторах используется пентатитанат лития (вместо графита, применяемого в большинстве других вариантов).

Такое решение обеспечивает зарядку за 10-18 минут и позволяет эксплуатировать машины на городских маршрутах любой протяженности. Московские электробусы заряжаются от специальных зарядных станций, установленных на конечных остановках.

Аналогичные проекты реализуются и в других городах России. Например, для Санкт-Петербурга активно закупаются электробусы с ночной подзарядкой в автопарке. Во Владивостоке, впервые в дальневосточном регионе, на один из маршрутов вышел общественный транспорт с ультрабыстрой зарядкой. В Тюмени российские электробусы работают на экспресс-маршруте из города в аэропорт и обратно.

Переход на экологически чистый общественный транспорт — это не просто чья-то прихоть или реализация амбициозного проекта. Это общемировой тренд. Всё больше городов на разных континентах выбирают это направление в качестве основного вектора развития наземного городского пассажирского транспорта.

Развитие в России сферы электротранспорта, а также более интенсивное применение промышленных аккумуляторных хранилищ и внедрение систем накопления электроэнергии в оборудование «зеленых» электростанций будет способствовать росту российского рынка накопителей. Об этом говорится в исследовании консалтинговой компании KPMG.

По оценкам экспертов, в 2020 году объем российского рынка накопителей электроэнергии составлял 126 МВт*ч, по итогам 2025 года он увеличится до 4,8 ГВт*ч, а в 2030 году достигнет отметки в 25,5 ГВт*ч. В денежном эквиваленте рынок аккумуляторных хранилищ в 2020 году оценивался в 44 млн долл. К 2025 году прогнозируется его рост до 500 млн долл., к 2030 году – до 1,2 млрд долл. в год. Среднегодовой темп роста составит 39%.

Аналитики KPMG считают, что в 2025 году более 50% общей емкости всех выпущенных накопителей энергии (порядка 2,8 ГВт*ч) будет потреблять электротранспорт. В 2030 году на долю этой сферы будет приходиться свыше 65% рынка (около 17,8 ГВт*ч).

В денежном выражении в 2025 году рынок промышленных накопителей составит 245 млн долл., аккумуляторов для транспорта – 224 млн долл. К концу 2030 года доля электротранспорта увеличится до 687 млн долл., 374 млн долл. будет приходиться на аккумуляторы для промышленности.

Эксперты консалтинговой компании утверждают, что даже если к 2030 году российский рынок СНЭ достигнет прогнозируемых значений, на его долю будет приходиться не более 1% от мирового. По оценкам аналитиков KPMG, по итогам 2030 года глобальный сегмент составит 425 млрд долл. или 2 030 ГВт*ч, где на накопители для электротранспорта будет приходиться 75%, а на стационарные аккумуляторные батареи – около 20%. В расчетах были учтены личные автокары, общественный и коммерческий транспорт.

До недавнего времени активных проектов по производству легковых электромобилей в РФ не было. В марте 2022 года российский автопроизводитель ООО «Моторинвест», Минпромторг и правительство Липецкой области подписали первый в России специальный инвестиционный контракт (СПИК) по внедрению технологии производства электромобилей. 

Спустя полгода на автозаводе компании, который находится в селе Гребёнкино (Краснинский район Липецкой области), стартовал выпуск отечественных электрокаров под символичным названием Evolute. Электрический четырехдверный седан с запасом хода на 420 км уже ждут в службах такси и каршеринговых фирмах.

Одним из заказчиков станет ПАО «РусГидро». В ходе Восточного экономического форума энергокомпания договорилась с «Моторинвестом» о поставке 40 электрокаров в рамках развития электрокаршеринга в Приморье.

Кроме электрических седанов Evolute i-PRO энергохолдинг запросил 45 кроссоверов Evolute i-JOY и 10 минивэнов i-VAN. Эти автомобили появятся в линейке бренда до конца текущего года. Они будут изготовлены на базе китайских моделей Seres S3 и Dongfeng LingZhi. В 2023 году автопроизводитель планирует запустить производство кросс-купе i-Jet.

В январе 2022 года, кроме ООО «Моторинвест», заявку на заключение специнвестконтракта на выпуск электромобилей подала еще одна компания – ООО «Электромобили Мануфэкчуринг Рус». В феврале компания получила одобрение межведомственной комиссии.

По условиям специального инвестиционного контракта производитель обязуется в течение 4,5 года реализовать инвестпроект, а государство – обеспечить стабильность ведения бизнеса. 

28 сентября стало известно, что «ЭМР» вошла в список резидентов особой экономической зоны «Технополис Москва» и готовится к открытию завода по производству электрических грузовых автомобилей.

Первая партия электрогрузомобилей сойдет с конвейера до конца года. На производственной площадке компания планирует ежегодно выпускать около 1 тыс. легких коммерческих электрокаров модели EVM Pro на шасси «УАЗ Профи». Запас хода электромобиля на одном заряде составляет 300 км, полезная нагрузка – до 1 тонны.

Еще один крупный инвестиционный проект, открывающий новую страницу в истории электротранспорта России, реализуется в Калининградской области. 14 октября на территории Балтийской АЭС госкорпорация «Росатом» приступила к строительству завода, который будет специализироваться на выпуске литий-ионных ячеек и тяговых батарей для легковых электромобилей, электробусов и специальной техники.

Предприятие будет работать по полному циклу производства: от процесса смешения компонентов катодных и анодных масс до программного обеспечения и выходного контроля готовой продукции. Выпуск первых аккумуляторных батарей запланирован на 2025 год.

Проект реализуется в рамках Концепции развития электротранспорта в России. Мощность нового завода составит 50 тыс. накопителей в год. При необходимости производство может быть расширено до 120–130 тыс. батарей ежегодно.

«Мы не просто начинаем строительство предприятия по производству аккумуляторных батарей, мы приступаем к реализации большого революционного проекта по переходу на новые принципы работы автомобильного транспорта. Нам необходимо делать свою страну и планету чище. Использование передовых электрических технологий в работе муниципального транспорта и коммерческих автомобилей – вопрос уже решенный. Нам нужно найти в этой сфере свое место, максимально локализовать технологии и оборудование, чтобы планы воплотились в реальность. Какой бы сложной ни была международная обстановка, всё равно будет понятие глобального рынка и нам необходимо в нём участвовать», – сказал генеральный директор Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» Алексей Лихачёв.

Промышленные накопители электроэнергии. В Российской Федерации к формированию национальной промышленности СНЭ и развитию ранка накопителей приступили только в 2018 году. До этого хранить энергию можно было лишь в микромасштабах — в аккумуляторных батареях бытовой техники или электромобилей. В «большой энергетике» единственным методом накопления электричества долгое время были ГАЭС.

В качестве эффективных решений для полноценной замены устаревшей системы ведутся разработки современных технологий. В России этим занимаются ПАО «Россети», ГК «Росатом» и АО «РОСНАНО».

В начале 2019 года первые образцы отечественных накопителей, изготовленных с использованием литий-ионных аккумуляторов, представило предприятие из Новосибирска ООО «Системы накопления энергии» (проект «РОСНАНО»).

Накопители, в составе которых используются литий­-ионные аккумуляторы, обладают высокой удельной энергоемкостью и способны обеспечивать высокий ток отдачи. Батареи этого типа отличаются долгим сроком службы, выраженным в циклах заряд-разряд. Среднее значение для качественных систем составляет 2 500 циклов заряда-разряда с потерей не более 20% емкости.

Инициатором проведения комплексных испытаний нового оборудования выступила компания «Хевел». Для тестирования работы накопителей емкостью 250 и 460 кВт*ч выбраны объекты солнечной генерации, расположенные на территории Республики Тыва.

Энергонакопители были доставлены в поселки Мугур-Аксы и Кызыл-Хая. В этих населенных пунктах проживает более 6 тыс. человек. Ранее электроснабжение потребителей обеспечивалось за счет выработки электростанции, работающей на дизельном топливе.

Эксперты утверждают, что после ввода в эксплуатацию СЭС и установки аккумуляторных батарей за счет оптимизации работы дизельных генераторов и эффективного использования электричества, выработанного фотоэлектрическими панелями, затраты на покупку топлива сократились в два раза.

Новое оборудование тестировалось в течение шести месяцев. Результаты испытаний подтвердили заявленные производителем характеристики. После подтверждения соответствия продукции требованиям технических регламентов Таможенного союза был разрешен ввод сертифицированных накопителей в промышленную эксплуатацию.

В сегменте промышленных накопителей энергии в Российской Федерации в общей сложности реализованы десятки проектов. Наиболее крупные из них завершены в 2020-2021 годах. Как правило, они были призваны оптимизировать суточный график энергопотребления.

В число предприятий, реализовавших подобные проекты, вошли ПАО «Россети», ОАО «Российские железные дороги», компания «Хевел», завод «Лиотех» (принадлежит «РОСНАНО») и структуры ГК «Росатом».

Самым крупным проектом ГК «Хевел» в секторе промышленных накопителей энергии стала Бурзянская СЭС. Солнечная электростанция мощностью 10 МВт расположена вблизи села Старосубхангулово Бурзянского района (Республика Башкортостан).

Энергообъект оснащен встроенной системой хранения электроэнергии. Емкость аккумуляторных батарей составляет 8 МВт*ч. СНЭ обеспечивает 80%-ное резервирование от установленной мощности станции.

Бурзянская СЭС может работать как параллельно с сетью, так и в автономном режиме. Таким образом, станция обеспечивает электроэнергией потребителей района, а в случае аварийного отключения или проведения ремонтных работ на линии электропередачи в автономном режиме снабжает электричеством социально значимые объекты.

Летом 2022 года, в ходе исследования потенциала использования промышленных систем накопления электроэнергии, электростанция 1,5 часа функционировала в изолированном режиме. Таким образом была подтверждена стабильная работа СЭС с накопителями при выделении на изолированную работу от Единой энергетической системы России.

Результаты испытаний также подтвердили эффективность работы солнечной генерации с накопителями там, где в силу ряда причин передача электроэнергии из ЕЭС по магистральным электрическим сетям невозможна.

16 декабря 2021 года на площадке Главного аналитического центра «Россети Центр» в зоне операционной деятельности электросетевой компании была запущена в работу инновационная система накопления энергии. СНЭ реализована на базе современной литий-тонной батареи ёмкостью от 40 до 82 кВт*ч, оснащенной полупроводниковым преобразователем мощностью 10-60 кВт.

Всего в эксплуатацию введено свыше 30 накопителей электроэнергии. 15 устройств суммарной емкостью более 1 МВт*ч разработаны специалистами «РОСНАНО».

18 накапливающих устройств, установленных на объектах компании «Россети», являются разработкой ООО «РЭНЕРА» (дочка «Росатома»). Первые такие аккумуляторные хранилища были применены на практике в 2019 году в Белгородской и Владимирской областях. Проект доказал свою успешность, поэтому накопители были внедрены в районные сети на территории Центрального и Приволжского федеральных округов.

Стало известно, что в декабре «РЭНЕРА» планирует объявить о запуске нового производства СНЭ общей мощностью 150 МВт*ч в год. В компании проект называют «мегафабрикой». Опытно-промышленный и сборочный участок по производству высокотехнологичных накопителей будет открыт в Москве.

Автономные гибридные энергоустановки (АГЭУ). Российская Федерация – это крупнейшее государство в мире. На карте страны существует множество территорий, которые относятся к категории изолированных и труднодоступных. Как правило, к ним не дотягиваются линии электропередач Единой энергетической системы. Поэтому энергоснабжение таких мест организуется локально с использованием местных объектов генерации.

Традиционно автономные электростанции в труднодоступных районах и населенных пунктах, изолированных от Единой энергосистемы России и централизованного энергоснабжения, работают на дизельном топливе, которое периодически доставляется с «большой земли». Электроэнергия, вырабатываемая из солярки, получается поистине золотой.

Устойчивое развитие «зеленых» технологий в энергетической отрасли определило несколько инновационных направлений. Помимо покрытия дефицита электроэнергии производство энергии из возобновляемых источников снижает нагрузку на региональные бюджеты, обеспечивает снижение вредных выбросов в атмосферу, повышает эффективность использования топлива.

В глобальном масштабе использование ВИЭ предотвращает истощение ресурсов, обеспечивает смягчение последствий изменения климата, способствует налаживанию разумного природопользования, предотвращает отток населения из отдаленных районов и улучшает демографическую ситуацию.

По оценкам экспертов, монтаж гибридных электроустановок на базе ветрогенераторов, солнечных панелей и дизель-генераторных агрегатов намного выгоднее строительства километров электросетей для снабжения удалённых районов.

Поэтому одним из основных трендов развития энергетики изолированных территорий стало создание гибридных систем энергоснабжения с возрастающей долей возобновляемых источников энергии в структуре генерации.

Несмотря на высокую стоимость реализации таких проектов, в перспективе 10-15 лет АГЭУ выходят на самоокупаемость, а с учетом технического прогресса эти сроки могут существенно сократиться.

Быстро развивающиеся аккумуляторные технологии стимулируют рост рынка, что приводит к тому, что накопители электроэнергии становятся всё более совершенными и экономически доступными.

В настоящее время накопительные устройства уже стали частью автономных гибридных установок на Дальнем Востоке и в Сибири. Представитель ПАО «Россети» сообщил, что по состоянию на начало 2022 года дочерние компании группы внедрили 35 накопителей энергии суммарной мощностью 1,29 МВт, их емкость составляет 1 732 кВт*ч.

Над подобным проектом работают энергетики компании «Россети-Тюмень», который позволит обеспечить надежное и качественное электроснабжение изолированных территорий Ханты-Мансийского автономного округа – Югры.

Внедрение системы автономных гибридных установок, ключевыми элементами которой станут фотоэлектрические панели и ветряки в сочетании с СНЭ, увеличит продолжительность электроснабжения объектов, расположенных в 34 населенных пунктах региона, до бесперебойного режима «24/7». Это позволит улучшить качество жизни около 10 тыс. человек.

Соответствующий пилотный проект сетевой компании был представлен на Международной научно-технической конференции «Развитие и повышение надежности распределительных электрических сетей».

До конца 2023 года новые автономные энергокомплексы, включающие высокоэффективные дизельные электростанции (ДЭС), ВИЭ-генерацию и системы аккумулирования энергии, будут введены в эксплуатацию в девяти муниципальных районах Республики Саха (Якутия). Общая мощность новых ДЭС составит 47 МВт, солнечных электростанций – 14 МВт.

Строительные работы будут развернуты на территории 41 отдаленного населенного пункта, изолированного от ЕЭС России. Проекты будут профинансированы и реализованы тремя компаниями, выбранными по итогам проведения конкурсных процедур:

• ООО «Группа ЭНЭЛТ» (13 населенных пунктов);
• ООО «Хевел Энергосервис» (17 населенных пунктов);
• ООО «Гидроэлектромонтаж» (11 населенных пунктов).

Строительство и комплекс пуско-наладочных работ будут проведены в рамках энергосервисных договоров. Построенные инвесторами энергокомплексы поступят в распоряжение АО «Сахаэнерго» (входит в ПАО «Якутскэнерго» Группы «РусГидро»).

Возврат инвестиций будет осуществляться по результатам достигнутой эффективности за счет экономии расходов на топливо в тарифе в течение не менее 10 лет, после чего энергокомплексы перейдут в собственность энергокомпании.

Принцип работы автономной гибридной энергоустановки можно продемонстрировать на примере проекта, реализованного ГК «Хевел» в селе Менза (Красночикойский район Забайкальского края).

Ранее энергоснабжение административного центра сельского поселения «Мензинское» с населением около 300 человек осуществлялось с помощью старой ДЭС. Следует отметить, что жители не были обеспечены электричеством круглосуточно. Электроэнергия в дома мензинцев подавалась всего на 8 часов в сутки.

По оценкам специалистов, удельный расход дизтоплива составлял 0,55 кг на вырабатываемый киловатт-час, себестоимость 1 кВт*ч электроэнергии достигала 86 руб. Граждане Российской Федерации платят за электричество по регулируемым тарифам, поэтому разница (свыше 80 руб. за каждый кВт*ч) покрывалась за счет регионального бюджета.

В состав новой автономной гибридной энергоустановки входит:

• 2 дизельных генератора. Мощность каждого из них составляет 200 кВт;
• Солнечные батареи суммарной мощностью 120 кВт;
• Литий-железо-фосфатный накопитель энергии емкостью 300 кВт*ч;
• Комплект инверторов;
• Программное обеспечение, позволяющее управлять АГУЭ в автоматическом режиме.

Работа оборудования настроена таким образом, что сначала в локальную сеть поступает электроэнергия, вырабатываемая фотоэлектрическими панелями. Вторыми в очереди на включение стоят аккумуляторные батареи, после них в работу включается дизельная установка.

В АГУЭ накопители выполняют роль буфера для солнечной энергии. Они помогают сдвигать потребление «зеленых» киловатт-часов на темное время суток. Кроме того, с помощью аккумуляторов удалось оптимизировать загрузку дизельных генераторов и таким образом продлить их ресурс.

Главное, что было достигнуто благодаря модернизации системы электроснабжения села Менза, – это повышение качества жизни населения, ведь теперь они обеспечены электроэнергией 24 часа в сутки.

Кроме того, ввод в эксплуатацию гибридной энергоустановки позволил более чем в два раза сократить удельный расход дизельного топлива и наладить полноценный учет нефтепродуктов. Показания расходомеров нельзя откорректировать вручную, все данные передаются в систему мониторинга.

По расчетам специалистов, реализация проекта позволила сократить выбросы парниковых газов в атмосферу на 500 тонн в год.

Сегодня основным потребителем накопителей большой мощности являются изолированные энергосистемы с применением элементов альтернативной энергетики. Однако это далеко не единственный вариант их использования.

Накопительные установки необходимы в энергосистемах с резкопеременным графиком нагрузки. Обычно именно такой режим работы отличает энергоснабжение объектов нефтегазовой отрасли.

Процесс бурения скважины нуждается в источнике энергии значительно большей мощности, чем обычный режим эксплуатации месторождения. Поэтому сейчас на подобных объектах держат так называемый «горячий резерв». С накопителем установка резервных генераторов не требуется.

В настоящее время накопители энергии используются для обеспечения бесперебойного питания в случае отключения городской сети. Такие проекты были реализованы «Лиотех» в бизнес-центре «Принципал Плаза», в офисе компании «Полиметалл» и на Белорусском вокзале в Москве.

Основные виды современных накопителей электроэнергии

В 2022 году существует несколько технологий накопления энергии:

• Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Механическая технология хранения энергии была освоена еще в конце ХIХ века. По оценкам аналитиков, на сегодняшний день ГАЭС обеспечивают около 98% промышленного накопления и хранения электрической энергии.

Ежегодно в мире в строительство новых гидроаккумулирующих электростанций инвестируется около 10 млрд долл., их общая установленная мощность превышает отметку в 300 ГВт.

ГАЭС — это два водоема, которые расположены на разных уровнях и соединены между собой системой насосов и генераторов. Алгоритм работы такой электростанции предельно прост: для запаса электричества насос перекачивает воду из нижнего водоема в верхний, когда необходимо выдать электроэнергию в сеть – вода подается на турбину. Сброс воды из водохранилища в нижний водоем осуществляется под действием силы тяжести.

Такой способ генерации позволяет регулировать частоту в энергосистеме: при снижении спроса на электроэнергию запускаются насосы, при увеличении энергопотребления осуществляется сброс воды. Однако инерционность ГАЭС не позволяет сглаживать кратковременные пики нагрузки.

В периоды низкого спроса на энергоресурс электричество расходуется на перекачивание воды в верхний резервуар, при увеличении энергопотребления происходит выработка электроэнергии и поставка ее в сеть.

Повсеместному распространению механической технологии хранения энергии препятствует несколько серьезных проблем. Первая проблема состоит в том, что реализация такого проекта требует подбора естественного рельефа местности с большим перепадом высот. В преимущественно равнинной России это существенный недостаток.

Вторая проблема – необходимость затопления огромной территории для образования искусственного аккумулирующего бассейна. Например, на Загорской ГАЭС в Подмосковье площадь зеркала при нормальном подпорном уровне составляет 2,6 км². Большая площадь водохранилища способствует испарению воды, что снижает КПД. Кроме того, наличие водоема оказывает влияние на экосистему региона.

Отсутствие нужного рельефа научились компенсировать за счет строительства искусственной насыпи в виде горлышка цилиндрической формы, которая наполняется водой. Эта технология несет в себе определенные риски: в случае аварии под угрозой затопления могут оказаться близлежащие населенные пункты.

• Электрохимические аккумуляторные батареи (ЭАБ). Накопители этого типа используют электричество для осуществления химических реакций, преобразующих его в химическую энергию в режиме «заряд», и возвращают в виде электроэнергии в режиме «разряд». Во время процесса изменяется состав электродов и расходуется специальная жидкость – электролит.

По режиму использования аккумуляторы большой мощности делятся на две группы: стартовые и тяговые. Стартовые способны выдавать очень большой ток на протяжении короткого промежутка времени. В штатном режиме они не должны испытывать глубокий разряд.

Принцип использования тяговых аккумуляторов кардинально отличается. Накопители этой группы ориентированы на относительно равномерный разряд в течение длительного времени. Параметры разряда сопоставимы с током и временем зарядки.

Более мягкие условия разряда дают возможность немного облегчить конструкцию тяговых аккумуляторных батарей и увеличить их удельную емкость (по сравнению со стартовыми).

Электрохимические накопители отличаются достаточно высоким КПД (около 70%) и удельной емкостью в пределах 200-300 кВт*ч/м³. Срок службы некоторых моделей достигает 20 лет.

К числу недостатков таких аккумуляторов эксперты относят чувствительность к температуре, необходимость зарядки на протяжении продолжительного периода времени (в некоторых случаях время заряда в несколько раз превышает время разряда), недопустимость глубокого разряда для свинцовых накопителей и, наоборот, необходимость выполнения полного цикла «заряд-разряд» для металл-гидритных и многих других типов аккумуляторов. Время сбережения заряда также может быть довольно ограниченным – от нескольких дней до нескольких месяцев.

Однако главная проблема всех электрохимических технологий состоит в ограниченности ресурса. Речь идет о количестве циклов «заряд/разряд», после которых аккумулятор начинает садиться, поскольку реакция не полностью обратима. Постепенно деградирует любая батарейка.

У лучших образцов ресурс достигает 3-10 тыс. циклов. Соответственно, если цикл «заряд/разряд» происходит один раз в сутки, то срок службы аккумулятора составит около восьми лет, если два раза в сутки, то аккумулятор прослужит вдвое меньше.

Энергетика мыслит длинными циклами, а значит, решение будет относительно дорогим с учетом необходимости замены ячеек.

Ключевое преимущество электрохимических решений перед механическими накопителями – высокая плотность хранения энергии, что сокращает вес и объем аккумулятора. Компактные размеры позволяют устанавливать такие аккумуляторы в мобильные объекты.

В настоящее время ЭАБ для промышленного использования в основном строятся на литий-ионных элементах различного химического состава. Технология их производства существует более 30 лет. За это время цена аккумуляторов существенно снизилась, в то время как их технические характеристики, напротив, значительно повысились.

Развитие технологии производства осуществлялось во многом благодаря огромным масштабам рынка потребительской электроники. Свой весомый вклад внесло распространение электрокаров. Для производства аккумуляторов для автопрома были построены гигафабрики. Проектная мощность таких заводов исчисляется в гигаватт-часах.

Изначально был выпущен литий-кобальтовый вариант на основе соли LiCoО₂. Устройство обеспечивало неплохую удельную плотность энергии. Но цена аккумулятора была достаточно высокой, а он сам – небезопасным.

Для снижения стоимости своей продукции производители накопителей стремились снизить содержание дорогостоящего кобальта. Его стали заменять на марганец и железофосфат. Аккумуляторы на феррофосфате лития (LiFePO₄) получили довольно широкое распространение в потребительской технике, а также в электробусах, где батарея должна выдавать высокую мощность.

Следует отметить, что удельная плотность энергии у таких батарей невысокая. Поэтому производители аккумуляторов для электрокаров начали внедрять системы LiNiMnCoО₂. В последние годы осуществляется переход от устройств с равным количеством кобальта, марганца и никеля к аккумуляторным батареям с соотношением 8:1:1, где преобладает никель, который обеспечивает высокую удельную плотность энергии.

Однако в энергетической сфере более важен другой параметр. Речь идет о продолжительном сроке службы (как минимум 20 лет). Поэтому сегодня началось возрождение феррофосфатных аккумуляторов. Помимо длительного срока службы они характеризуются повышенной безопасностью.

Для энергокомпаний создаются контейнерные ионолитиевые накопители. Они преодолели четырехчасовой порог, после чего у разработчиков возникли трудности: системы, рассчитанные на более продолжительное время работы, стоят дорого, а объединение огромного количества отдельных небольших ионолитиевых элементов требует построения сложных систем балансировки мощности.

В 2017 году в составе Научно-технологического центра автономной энергетики Института арктических технологий МФТИ была создана Лаборатория накопителей энергии. Новое учреждение образовано в рамках реализации федеральной Арктической программы для исследований и разработок в области современных и перспективных систем накопления энергии.

С целью реализации проекта «Автономная энергетика для Арктики» в лаборатории ведется разработка литий-ионных СНЭ, устойчивых к суровым погодным условиям. В процессе работы создаются образцы с плотностью энергии не менее 250 Вт*ч/кг, а также разрабатывается технология изготовления на их основе контейнерных накопителей емкостью не менее 3 МВт*ч.

Литий-ионная система, которая создается на базе современных композитных материалов, призвана обеспечить сглаживание пиков от ВИЭ и сформировать оперативный резерв энергии для покрытия энергодефицита в период пикового потребления.

Кроме того, на базе лаборатории ведутся НИР, обеспечивающие достижение параметров литий-ионных аккумуляторов мирового уровня и реализацию их серийного выпуска в тесной кооперации с производителями комплектующих.

Ученые трудятся над созданием опережающих технологий перспективных литиевых накопителей энергии, разрабатывают новые электродные катодные материалы для достижения удельной энергоемкости более 300 Вт*ч/кг, а также проводят разработку новых электрохимических систем с серным катодом и элементов с твердым электролитом, удельные характеристики которых в несколько раз превышают сегодняшний уровень.

В 2020 году в Госуниверситете «Дубна» создана Лаборатория прототипирования накопителей энергии. На ее базе ведутся разработки новых технологий и материалов, проводятся исследования влияния микроструктуры электродов на характеристики литий-ионных аккумуляторов.

Деятельность лаборатории направлена на отработку современных технологических решений и внедрение их в производство. К научным исследованиям стараются привлекать студентов естественно-научных направлений, поскольку считают, что такая система будет способствовать подготовке востребованных специалистов.

В последнее время ведется много работ по использованию твердого электролита.

• Ванадиевые проточные аккумуляторы. Основная конструктивная особенность накопительных устройств этого типа состоит в том, что электрохимический реактор вынесен за пределы зоны хранения электроэнергии.

Проточные накопители оснащены баками с реагентами. От их объема зависит емкость аккумулятора. Отдельно установлен реактор, строение которого напоминает стопку, состоящую из электрохимических элементов.

Количество баков может быть неограниченным. Это позволяет накапливать много энергии. Масса реактора может быть ничтожно малой по отношению к массе реагентов.

Следует отметить, что проточные аккумуляторы можно разряжать полностью без риска повреждения, чего нельзя сказать об ионолитиевых накопителях. По критерию нормированной стоимости большие проточные аккумуляторы составляют достойную конкуренцию другим электрохимическим накопительным устройствам.

Первые модели проточных накопителей выпускались на базе ванадиевого электролита. На сегодняшний день эта технология отработана лучше других.

Ванадиевый электролит – это раствор солей ванадия определенной степени окисления в сернокислой среде. Этот состав не горит, способен обеспечить довольно высокую плотность энергии и доступен по цене. На него приходится 40-70% стоимости проточной батареи.

Баки и трубы аккумулятора изготавливаются из пластика. Материалом для производства корпусов электрохимических элементов, насосов и кронштейнов служит нержавеющая сталь. Все элементы накопителя по окончании срока службы легко утилизируются.

В процессе эксплуатации состав электролита не меняется. Его можно использовать неограниченное время. Прокачиваемый электролит охлаждает электрохимические элементы, поэтому они не перегреваются. Система проста в обслуживании, после отказа или повреждения подлежит ремонту.

Эксперты отмечают, что проточные аккумуляторы обладают большим потенциалом снижения стоимости, поскольку их массовый выпуск только начинается. Каждое двукратное увеличение объемов производства позволяет снизить себестоимость продукции на 15-20%.

Кроме того, ванадий можно извлекать из золоотвалов тепловых электростанций, работающих на твердом топливе.

ТАЭС: спрессованный грунт против воды

Человечество придумало массу способов хранения энергии. Какие-то из них получили широкое распространение и активно применяются на практике, а какие-то менее известны и еще нуждаются в тестировании. Одной из таких малоизвестных технологий является ТАЭС. В настоящее время расшифровку аббревиатуры знают немногие.

ТАЭС – это твердотельная аккумулирующая электростанция. Принцип ее работы достаточно прост. Он строится по той же методике, что и работа ГАЭС, но вода заменяется спрессованным грунтом.

Кроме того, для строительства ТАЭС не нужен перепад высот и водоемы, от объема которых зависит энергоемкость электростанции. ТАЭС может быть построена на любой местности, а площадь занимаемой территории будет в несколько раз меньше площади ГАЭС.

Чтобы понять суть рабочего процесса, достаточно вспомнить школьный курс физики. Представим здание, которое состоит из множества лифтов, которые перевозят тяжелые бетонные блоки. Во время подъема блока энергия накапливается, при спуске – возвращается обратно в сеть и отправляется потребителям.

При поднятии грузов на высоту используется электричество из сети. Получается, что выработанная ночью избыточная энергия заставляет работать электроподъемник с грузом. Когда возникает потребность в высвобождении электроэнергии, грузы опускаются под действием силы тяжести.

Правда, у этой технологии есть свои нюансы. Конструирование здания ТАЭС нуждается в особом инженерном подходе. Например, с целью экономного расходования металла форму можно сделать такой, чтобы потоки поперечного ветра изгибались, меняли направление движения и в итоге становились вертикальными. В таком случае здание, спроектированное для вертикальных нагрузок, испытывает минимум поперечной нагрузки.

Удельные капитальные затраты становятся оправданными, если емкость накопителей твердотельной электростанции превышает 300 МВт*ч. По оценкам экспертов, КПД ТАЭС составляет не менее 80 %, срок службы – около 50 лет. Нормированная стоимость хранения энергии (LCOS) для ТАЭС на 16 % ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов, и на 72 % ниже, чем у ГАЭС (расчет для накопителей 200 МВт/800 МВт*ч).

Следует отметить, что эксплуатация твердотельных электростанций полностью безопасна для экосистемы региона, в котором она построена. В случае аварии на объекте отсутствует опасность возникновения техногенной катастрофы.

Накопители энергии, созданные по принципу потенциальной энергии тела, уже можно увидеть в некоторых странах мира. Например, немецкая компания Heindl Energy реализовала проект, в котором цельный гранитный поршень диаметром 250 м поднимается вверх в цилиндре с помощью водяного столба.

Свой вариант твердотельной аккумулирующей электростанции построен в Америке. По замыслу разработчиков компании ARES тяжелые грузы буксируются вверх железнодорожными составами. Затем они вместе спускаются вниз, вырабатывая при этом электричество.

Реализация этих проектов нуждается в соблюдении уникальных характеристик. В первом случае необходим огромный объем воды, во втором – особый ландшафт местности. Поэтому российские разработчики твердотельных накопителей энергии задумались над совершенно новым подходом.

«Энергозапас» – стартап наноцентра «СИГМА.Новосибирск», входящего в инвестиционную сеть Фонда инфраструктурных и образовательных программ Группы РОСНАНО. Это единственная в Российской Федерации компания, которая занимается разработкой ТАЭС для накопления энергии в промышленных масштабах.

Решение, предложенное российскими специалистами, представляет собой систему вертикальных лифтов. В 2018 году в Академгородке Новосибирска был построен прототип накопителя высотой 20 м. Мощность ТАЭС составляет 10 КВт.

В здании электростанции вдоль стен расположены восемь шахт. Они выполнены в форме вертикальных колонн, связанных между собой системой горизонтальных и наклонных распорок. В шахтах лифты поднимают грузы на высоту, используя излишки электричества из сети.

Грузы фиксируются вверху в то время как лифты отправляются вниз за новой партией. Спуск грузов происходит под действием силы тяжести. Это приводит в движение генератор, который вырабатывает электроэнергию.

В лифтах станции нет противовесов. Функцию грузов выполняют прочные полимерные мешки, наполненные спрессованным грунтом. Они армируются геосеткой. Это позволяет уменьшить боковое давление и снизить требования к материалу оболочки груза.

Чтобы сгладить действие потоков ветра на здание ТАЭС, сооружение одели в своеобразную «юбку». Ширина такого наряда составляет ¼ радиуса электростанции. «Юбка» трансформирует горизонтальное давление ветра в вертикальную нагрузку.

Кроме того, авторы проекта продумали, как преодолеть сейсмические колебания. Эту задачу помогает решить особенность конструкции здания. В каждый момент времени вверх или вниз перемещается определенное количество грузов, а остальные выполняют роль отвеса и подавляют колебания.

Следующим шагом на пути к полноценной промышленной ТАЭС стало сооружение опытно-промышленной станции высотой 80 м и мощностью 2,4 МВт. Здание выполнено в форме цилиндра диаметром 30 м. Оболочка окружена конструкцией из металлических стержней, так называемой Шуховской сеткой, для устойчивости к ветровым нагрузкам.

Этому строению отведена роль шоурума, позволяющего тестировать установку и демонстрировать результаты работы накопителя потенциальным инвесторам. Опытная модель содержит механические и электронные компоненты, которые в дальнейшем будут воспроизведены в промышленной электростанции.

Помимо этого, компания представила модель опытной станции в VR. Виртуальное прототипирование дает возможность уже на этом этапе увидеть ТАЭС внутри и снаружи с высокой степенью детализации.

Если технические характеристики опытно-промышленного образца будут одобрены, в 2025 году «Энергозапас» планирует запустить в эксплуатацию первую промышленную твердотельную аккумулирующую электростанцию.

При высоте в 300 м и застройке земельного участка площадью около 1 км² емкость накопителя составит 10 ГВт*ч, а мощность ТАЭС — 1 ГВт. Разработчики утверждают, что по требованию заказчика мощность и емкость могут быть изменены.

Хранение энергии с помощью твердотельных АЭС считается весьма перспективной технологией. По прогнозам аналитиков, уже к 2025 году на долю ТАЭС будет приходиться 10% мирового рынка накопителей.

Бег с препятствиями

Развитие рынка накопителей – это важный элемент «энергетического перехода», который набирает обороты не только за рубежом, но и в Российской Федерации. Трансформация электроэнергетических систем характеризуется появлением новых участников энергорынка, возрастанием доли альтернативной энергетики в энергобалансе, распространением новых технологических решений.

У России есть шанс ликвидировать отставание и реализовать потенциал рынка накопителей энергии. Для того чтобы достичь поставленной цели, необходимо в среднесрочной перспективе уделить должное внимание формированию технологической базы СНЭ нового поколения. При этом следует брать в расчет технические характеристики и экономические показатели, востребованные в перспективных сегментах рынка:

• Новая генеральная схема. На сегодняшний день традиционная централизованная архитектура построения энергосистем исчерпала свой потенциал эффективности, она уже не может оставаться оптимальным вариантом и нуждается во внедрении СНЭ.

За счет накопителей энергокомпании смогут повысить эффективность режима работы оборудования, сети – оптимизировать загрузку, а потребители – выравнивать свое потребление и сохранять электроэнергию для будущего использования;

• Интернет энергии. Учитывая стохастический характер генерации из возобновляемых источников и ее зависимость от погодных условий, для качественного энергоснабжения потребителей необходим соответствующий объем резервной мощности. В настоящее время в большинстве случаев это достигается за счет традиционной энергетики. Одной из характерных особенностей российской энергосистемы является наличие зон свободных перетоков, когда не важен факт наличия генерации в конкретном регионе, если есть сетевая инфраструктура.

Такой способ сохранения баланса имеет технические и экономические ограничения. Вопросы интеграции ВИЭ в структуру традиционных энергетических систем не решены до конца.

Системы накопления энергии – это качественно другой, новый подход, который позволяет найти оптимальные решения и внедрить ВИЭ в энергосистему в полной мере: для повышения эффективности альтернативной энергетики, регулирования частоты и напряжения в энергосистемах, резервирования, обеспечения бесперебойного питания, поддержания показателей качества энергии и др.;

• Водородная энергетика. Развитие «зеленой» экономики и декарбонизация энергетики создают предпосылки для развития водородной энергетики. Водород используется для аккумулирования, хранения, транспортировки энергии и рассматривается сегодня в качестве перспективного энергоносителя, снижающего до минимума антропогенное влияние на климат. 

Несмотря на грамотно разработанные планы и прогресс на глобальном рынке накопителей, дальнейшее развитие технологии накопления энергии в России невозможно без четкой законодательной базы. Поэтому с 1 ноября 2020 года вступили в силу первые национальные стандарты для проектирования, испытания и эксплуатации накопителей энергии большой мощности.

Действие документа распространяется также на системы, предназначенные для автономной работы, с возможностью подключения к электросети для интеграции накопителей в единую энергетическую систему и создания развитой инфраструктуры. Если устройство разработано и изготовлено по стандартам, то его можно подключать к сети и не опасаться, что оно причинит ущерб.

Введение стандартов, а также дальнейшее совершенствование законодательной и нормативной базы, способно стать драйвером развития отрасли. Нормативно-техническая документация, адаптированная к международным требованиям, поможет российским производителям оборудования выйти на международные рынки.

По мнению аналитиков, развитие рынка накопителей ограничивает высокая стоимость оборудования. Так всегда происходит со сложной техникой. Практика показывает, что после начала серийного производства цены снижаются, что позволяет проекту быстрее стать прибыльным.

При этом, если технические характеристики отечественного оборудования лучше, чем у импортных аналогов, его будут приобретать не только внутренние потребители, но и зарубежные. Конкурентоспособный продукт можно будет продавать в других странах, что отвечает задаче увеличения высокотехнологичного импорта из России.

Эксперты отмечают, что одним из основных препятствий на пути развития СНЭ в РФ остается недостаточный уровень развития научно-технологической инфраструктуры и отсутствие форматов, способных обеспечить эффективное взаимодействие органов государственной власти, госкорпораций, крупного бизнеса, малых технологических предприятий и научных организаций.

Функцию такого инструмента могут взять на себя технологические консорциумы, которые будут нести ответственность за практическую реализацию мероприятий по разработке и внедрению инновационных технологий. Кроме того, их деятельность могла бы способствовать формированию производственных мощностей на всех этапах создания новых продуктов.

Будущее накопителей электроэнергии

Аналитики из BNEF утверждают, что в минувшем году доля литий-железо-фосфатных аккумуляторов в стационарных СНЭ впервые за всю историю становления рынка накопителей превысила долю никель-марганец-кобальтовых моделей.

По оценкам специалистов, это станет трендом как минимум до 2030 года. Наметившаяся тенденция обусловлена доминирующей ролью этой технологии в Китае и быстрыми темпами ее распространения в мире.

Компания BNEF также включила в свой прогноз натрий-ионные аккумуляторы, которые могут создать достойную конкуренцию литий-ионным батареям, и к 2030 году занять весомую долю рынка.

Большие аккумуляторные батареи в диапазоне десятков мегаватт небезопасны, дорогостоящи, быстро изнашиваются, а при их создании используется большое количество химических веществ, таких как литий и гадолиний, производство которых сопряжено с риском для экологии.

К числу перспективных технологий отраслевые эксперты относят:

5. пост-литиевые электрохимические решения, основанные на эффекте интеркаляции. В эту категорию, наряду с натрий-ионными технологиями, также входят калий-ионные и магний-ионные электрохимические накопители энергии;
5. металл-воздушные аккумуляторные батареи. В литий-ионных накопителях ионы растворенного в электролите лития в процессе зарядки и разрядки перемещаются от анода к катоду. В металл-воздушных моделях катод состоит из воздуха, а анод изготавливается из металла (например, цинка или алюминия). Использование воздуха делает такие аккумуляторы более легкими и дешевыми, что существенно снижает стоимость энергоемкости;
5. водородные технологии, которые базируются на интеграции двух технологий – Power-to-Gas (P2G) и топливных элементов. Такое сочетание обеспечивает хранение энергии в синтетическом химическом топливе;
5. гравитационные накопители электроэнергии. В настоящее время технология уже тестируется специалистами разных стран, но еще не реализована в промышленных масштабах. Ожидается, что она станет достойной альтернативой химическим аккумуляторам;
6. проточные батареи, в которых жидкий электролит прокачивается через ядро с помощью насосов;
5. совмещение нескольких способов хранения энергии в одной батарее. Например, британская компания Pivot Power объединила литий-ионные элементы и проточные ванадиевые аккумуляторы в гибридные СНЭ. Система рассчитана на большие нагрузки, при этом проточный компонент способствует продлению срока службы ионолитиевых элементов, замедляет их деградацию при циклировании;
5. сверхпроводящие индуктивные накопители (СПИНЭ) запасают энергию в магнитном поле индукционной катушки, где ток циркулирует без потерь. Преимуществом такого технологического решения специалисты называют быстродействие, которое исчисляется в миллисекундах. Это позволяет реагировать на внезапные аварийные ситуации в энергосистеме.

Конструкция СПИНЭ состоит из трех конструктивных узлов: магнитной среды, криогенной системы связи с внешней сетью и преобразователя-инвертора.

Метод отличается экологичностью, поскольку при изготовлении накопителя не используются токсичные материалы, в процессе работы не происходят химические реакции, отходы производства отсутствуют.

Помимо батарей, в стадии разработки находятся и другие перспективные технологии. Прежде всего, речь идет о накопителях тепловой энергии и пневматических аккумуляторах (методика основана на сжатии воздуха или другого газа, который закачивается в накопительное устройство при помощи двигателя, для получения энергии газ подают на специальную турбину).

Многие новые технологии могут обеспечивать более длительную диспетчеризацию. Однако аналитики утверждают, что батареи будут удерживать пальму первенства, как минимум, до 2030-х годов. Этому будет способствовать их ценовая конкурентоспособность, налаженная цепочка поставок и значительный послужной список. Если новым технологиям удастся переиграть литий-ионные решения, рост рынка накопителей станет по-настоящему стремительным.

Мировой рынок СНЭ активно развивается: совершенствуются технологии, новые методики испытываются на практике, накапливается ценный опыт успешного применения аккумуляторных хранилищ.

Системы накопления энергии позволяют принципиально по-новому решать проблемы управления режимами энергосистем, внедрения альтернативной генерации и электроснабжения объектов, не подключенных к единой сети.

В ближайшие годы на энергетических рынках будут по-прежнему доминировать электрохимические технологии на базе литий-ионных аккумуляторных батарей. За последнее десятилетие стоимость таких накопителей существенно снизилась, что неизбежно отразилось на их инвестиционной привлекательности.

Анализ глобального рынка СНЭ свидетельствует об отставании Российской Федерации от ряда стран, в которых технологии накопления энергии уже реализованы на практике. Однако у России есть шанс ликвидировать отставание и реализовать потенциал рынка накопителей энергии.

В современных реалиях максимальный технико-экономический эффект от применения СНЭ может быть достигнут в изолированных энергосистемах с распределенной генерацией, в микроэнергосистемах с ВИЭ и на автономных электростанциях нефтегазовой отрасли.

В этих случаях к мощности и энергоемкости накопителей предъявляются достаточно невысокие требования. Они вполне реализуемы на нынешнем этапе развития рынка, что дает возможность накопить опыт их эксплуатации, отработать алгоритмы управления ими. По мере отработки технологии и снижения себестоимости оборудования системы накопления энергии будут активно внедряться и в «большую» энергетику.