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:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.