Вы здесь

Накопители энергии: технологии и тренды

Опубликовано чт, 11/17/2022 - 17:37 пользователем Игнатов Сергей

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.

  1. 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.

  1. 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.

  1. 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.
  2. 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.

  1. 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.

  1. 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.
  2. 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.