Современные системы накопления энергии
Юрий Степанович Почанин
В книге описаны современные системы накопления энергии и их роль в повышении эффективности гибридных электростанций, в новых возможностях электрического транспорта, в снижении экологической нагрузки промышленных предприятий на окружающую среду. Описаны принципы действия основных элементов следующих накопительных систем энергии: электрохимических, электромагнитных, криогенных, гравитационных, кинетических и алюмоводородных. Описаны водородные топливные элементы и их использование в энергетике. Даны характеристика и практическое применение тяговых аккумуляторов для электрического транспорта.
Юрий Почанин
Современные системы накопления энергии
Введение
Мировая электроэнергетика находится в одном шаге от преобразования базового технологического принципа – соответствия уровня генерации и потребления в единый момент времени. Прорывная технология, которая позволит разделить генерацию и потребление, это накопление энергии. Эта технология полностью изменит всю систему диспетчеризации, соотношение традиционной и альтернативной электроэнергетики и многое другое.
Атомные, тепловые, а также гидроэлектростанции на сегодняшний день являются главными источниками получения электричества. Однако постепенно на смену этим высокоаварийным и экологически небезопасным способам получения электроэнергии приходят альтернативные методы ее выработки, доля которых уже сегодня составляет около 25% мирового энергетического баланса.
Cпециалисты напоминают нам о том, что энергосети работают не так эффективно, как могли бы, и призывает переходить на распределенную энергетику. Наблюдается масштабное вовлечение в энергосистему распределенных энергетических ресурсов (в том числе и возобновляемых источников энергии), оптимальное сочетание большой, распределенной и автономной энергетики.
Формируемая новая технологическая модель электроэнергетики будет характеризоваться увеличением сложности энергосистем с появлением существенной доли распределенной генерации, с повышением требований по доступности, качеству и надежности энергии. Все это будет связано с массовое применение накопителей электроэнергии, приводящее к новому построению энергосистемы. Потенциальные области применения накопителей включают: сглаживание неравномерности производства и потребления (в том числе на ВИЭ), регулирование напряжения и частоты, предоставление резерва мощности, аварийное питание для предотвращения развития системных чрезвычайных ситуаций. Однако эффективная работа такой электростанции невозможна без использования систем накопления энергии. Применение такого оборудования позволяет аккумулировать (сохранять) получаемую энергию для ее использования в будущем, например, в темное время суток, когда ее выработка ввиду отсутствия света просто невозможна.
Современные энергетические рынки нельзя представить без жизненно важных компонентов – систем накопления энергии. В своей погоне за углеродной нейтральностью и адаптацией к изменчивой генерации из возобновляемых источников ведущие мировые экономики ставят перед собой амбициозные цели. В этом контексте системы накопления играют ключевую роль, организуя процесс генерации энергии из возобновляемых источников, балансируя спрос и предложение, а также предоставляя необходимые функции, включая регулирование частоты и напряжения для обеспечения стабильности и надежности электросети.
По данным Bloomberg NEF, в 2022 году рынок накопителей энергии достиг впечатляющих результатов, увеличившись на 16 ГВт мощности при емкости в 35 ГВт·ч, демонстрируя значительный рост на 68% по сравнению с предыдущим годом. По оценке компании, установленная мощность накопителей энергии в мире к 2040 году взлетит до 1095 ГВт, а их емкость достигнет 2850 ГВт*ч.
Как сообщает Европейская ассоциация хранения энергии (EASE), Европе потребуется общая установленная мощность систем хранения энергии в 187 ГВт к 2030 году и 600 ГВт к 2050 году для достижения целей по переходу на возобновляемые источники энергии. Тем не менее, несмотря на строгие цели по сокращению выбросов углекислого газа на всем континенте, большинство стран еще не разработали национальную стратегию и не установили целевые показатели по внедрению накопителей энергии, однако прослеживаются многообещающие начинания.
Европейский союз (ЕС) уже активно поддерживает развитие инфраструктуры СНЭ (систем накопления энергии) посредством различных инициатив.
Ожидается, что на мировом рынке будут доминировать США и Китай, за которыми будут следовать Германия и Индия. Объём инвестиций в сектор за рассматриваемый период составит 662 млрд долларов США. Такое бурное развитие станет возможным благодаря дальнейшему падению стоимости литий-ионных аккумуляторов, которая в период 2010-2018 снизилась на 85%.
Главную роль в развитии рынка будут играть крупные промышленные (utility-scale) накопители энергии, установленные в системе, а не у потребителей, считает BNEF. В ближайшей перспективе основную долю рынка займут гибридные проекты, в которых ВИЭ, в первую очередь солнечные электростанции будут комплектоваться накопителями энергии. В дальнейшем системы хранения энергии станут реальной альтернативой генерирующим активам любого типа, а также расширению сетей. Авторы отмечают, что к 2040 году около 40% мировой электроэнергии будут вырабатывать ветровые и солнечные электростанции. Это явится одним из основных стимулов роста рынка накопителей энергии.
На чем основаны энергетические системы разных поколений?
Первое поколение (1880–1930 гг.):
–местное отопление;
–системы на основе перегретого (высокотемпературного) пара;
–уголь.
Второе поколение (1930–1980 гг.):
–районное теплоснабжение;
–высокотемпературная система водяного отопления под давлением;
–комбинированные тепло и электрическая мощность;
–уголь, мазут.
Третье поколение (1980–2020 гг.):
–районное теплоснабжение;
–горячая вода средней температуры;
–комбинированные системы выработки тепла и электрической мощности;
–газ, уголь, мазут, энергетическое сырье из биомассы;
–крупномасштабные солнечные электростанции.
Четвертое поколение (2020–2050 гг.):
–районное теплоснабжение;
–горячая вода низкой температуры;
–централизованный нагрев и охлаждение;
–накопление и хранение электрической и тепловой энергии;
–рекуперация тепла;
–комбинированные системы выработки тепла и электрической мощности;
–энергетическое сырье из биомассы;
–теплообмен через геотермальные насосы;
–возобновляемая энергия: энергия солнца и ветра.
Системы четвертого поколения работают при более низких температурах воды, что приводит к снижению потерь тепла по сравнению с предыдущими поколениями и позволяет использовать различные источники для его получения, такие как отходы, геотермальный обмен, солнечное тепло, комбинированное тепло, и рекуперация энергии и тепла. В сочетании с накопителем тепловой энергии и интеллектуальным управлением такая система становится экономичным способом интеграции возобновляемой энергии и технологий накопления в повседневную практику предоставления услуг энергосистемами.
Структура целевого использования систем накопления электрической энергии (СНЭЭ) в мире, следующая:
1.Регулирование частоты -55%.
2.Резервная мощность -9%.
3. Смещение графика нагрузки – 13%.
4. Снижение счета потребителя -11%.
5.Снижение счета с ВИЭ -1%.
6.Поддержка ВИЭ -7%.
7. Надежность и качество – 1%.
8. Холодный пуск – 2%
9.Управление нагрузками -1%.
В последние десятилетия технологии накопления энергии вышли на качественно новый уровень. Создаваемые на основе передовых технологий системы накопления электрической энергии уже сегодня являются актуальными и востребованными в электроэнергетике.
Глава 1. Роль систем накопления в энергетике
В последние десятилетия быстро развивается распределённая генерация, что значительно обостряет проблему поддержания баланса активной мощности, стремительными темпами растет парк электротранспорта, значительно расширился сектор ВИЭ-генерации в мировой энергетике. Накопление энергии в специализированных устройствах становится одним из ключевых направлений развития энергетики, открывающим новый этап её развития.
Глобальная энергосистема постоянно меняется, и важным компонентом этого роста являются промышленные накопители энергии, поскольку они способствуют повышению гибкости и. играют все более важную роль в распределении энергии. Долговременное хранение энергии имеет большой потенциал для мира, в котором энергия ветра и солнца преобладает над добавлением новых электростанций и постепенно вытесняет другие источники электроэнергии. Коммунальный сектор и транспорт стремятся полностью перейти на электрическую энергию, в связи с этим быстро растет потребность в надежном, эффективном и экономичном аккумулировании энергии и ее отдаче во время пиковых нагрузок. Батареи, конденсаторы, кинетическая энергия, хранение энергии в виде нагретой или охлажденной жидкости, а также в виде водорода – все это уже доступные и использующиеся решения, дающие широкие возможности. Однако, как обычно и бывает в нашей жизни, идеального метода нет, и каждая из перечисленных технологий, в зависимости от предполагаемого последующего применения накопленной энергии, имеет свои преимущества.
Поскольку процентное содержание непрерывной генерации энергии на основе углерода в структуре энергопотребления уступает место менее стабильному производству энергии из возобновляемых источников, накопление энергии представляет собой средство, с помощью которого спорадические поставки могут быть эффективно синхронизированы с колебаниями генерации и спроса в течение любого дня. Ветер и солнце производят энергию только в определенное время, поэтому им нужна дополнительная технология, которая поможет заполнить пробелы. В мире, где доля периодического, сезонного и непредсказуемого производства электроэнергии растет и увеличивается риск десинхронизации с потреблением, хранение делает систему более гибкой. Накопители служат главным образом в качестве буфера и позволяют упростить управление и интеграцию возобновляемых источников энергии как в сети, так и в зданиях при отсутствии ветра и солнца.
С увеличением доли возобновляемой энергетики все острее становится проблема балансировки системы энергоснабжения. Сейчас компенсация дефицита генерации проводится при помощи гидроаккумулирующих станций и маневровых мощностей тепловых электростанций. При этом использование последних фактически снижает эффективность использования «зеленых» источников энергии в плане декарбонизации процесса производства электроэнергии.
Когда возобновляемый источник энергии не может удовлетворить текущую потребность в мощности по причине неподходящих погодных условий (отсутствие достаточных солнечного света или силы ветра) или доступная генерация не соответствует пиковым потребностям в энергии, система накопления энергии может эти разрывы компенсировать, при этом поставка дополнительной энергии от традиционных источников электроэнергии не потребуется. Без накопления энергии или других управляемых источников генерации колебания возобновляемых источников энергии могут создать разрушительные дисбалансы, препятствующие поддержанию стабильности энергосистемы.
Несмотря на то, что физические принципы, используемые в СНЭ, в основном были давно известны, их практическое использование сдерживалось несовершенством технологий и их дороговизной. СНЭ с относительно большими мощностями (более 100 кВт) и энергоёмкостью (более 100 кВт?ч) получили широкое распространение и начали активно влиять на процессы реформирования электроэнергетики только в последние десятилетия в связи с прорывными научными достижениями в технологиях хранения энергии. Установленная мощность стационарных СНЭ (без учета ГАЭС) достигла в целом по миру к середине 2017 года 5 ГВт. По оценкам Navigant Research, к 2025 году рынок систем накопления электроэнергии, используемых в сетевых и системных услугах, превысит 18 млрд долл., а рынок накопителей, установленных на коммерческих и промышленных объектах, – 10,8 млрд долл. К 2025 году рынок суммарно составит 82 млрд долл. в год с ежегодными темпами роста до 60%.
McKinsey Global Institute включил технологии накопления энергии в число 12 наиболее значимых для развития мировой экономики. По прогнозу Bloomberg New Energy Finance, за период 2016–2030 годов объем инвестиций в системы накопления электроэнергии превысит 100 млрд. долл.
Основные стимулы развития рынка и практики применения СНЭ в мире:
1. Массовое распространение генерации на основе ВИЭ, эффективное масштабное применение которой невозможно без СНЭ.
2. Развитие и начало массового распространения городского и частного электрического транспорта.
3. Развитие распределённой генерации.
4. Массовое промышленное освоение литий-ионных АКБ, выступающих своего рода строительными блоками наиболее распространенных сегодня СНЭ, и резкое снижение их стоимости.
5. Прогресс технологий в силовой электронике и снижение себестоимости преобразователей, а также развитие систем коммуникаций, позволяющих координировать и управлять значительным количеством объектов в энергосистеме.
6. Рост потребности в пиковых генерирующих и сетевых мощностях (в том числе вследствие увеличения неравномерности бытового потребления в совокупном балансе электропотребления), приводящий к росту стоимости мощности для потребителей и к снижению эффективности работы энергосистем.
Всё перечисленное выше говорит о наступающем новом этапе в развитии электроэнергетики. Учитывая высокую стоимость СНЭ, целесообразно совмещать в одном устройстве одновременное выполнение разных функций.
Наиболее востребованные задач, которые могут быть решены с помощью СНЭ.
1.Повышение эффективности гибридных электростанций со СНЭ. В РФ, на территории не обслуживаемой Единой Энергосистемой, прежде всего, в Сибири и на Дальнем Востоке, эксплуатируется несколько тысяч автономных дизельных электростанций. На закупку и доставку топлива для этих электростанций затрачивается до 40% региональных бюджетов. При наличии достаточных объёмов возобновляемых ресурсов энергии целесообразно строить гибридные электростанции, в которых комбинируются ветрогенераторы, солнечные установки и традиционные дизель-генераторные агрегаты. Оснащение гибридных электростанций системами накопления энергии даёт возможность повысить их эффективность, так как появляется возможность оптимизировать потоки энергии и при необходимости хранить её невостребованные объёмы, полученные при избытке возобновляемой генерации.
2. Автоматическое регулирование частоты и перетоков активной мощности. Любое нарушение баланса активной мощности приводит к изменению частоты в энергосистеме, поддержание которой в нормируемых пределах при наличии резервов регулирования осуществляется автоматическими регуляторами частоты. Накопители энергии могут эффективно применяться в качестве вращающегося резерва, а также первичного и вторичного резерва регулирования частоты. СНЭ, благодаря своему быстродействию, могут привлекаться для первичного и вторичного регулирования частоты. Они способны эффективно по законам и алгоритмам, недоступным традиционным средствам регулирования частоты, обеспечивать баланс активной мощности. Это особенно важно для энергосистем со значительной долей генерации на ВИЭ. Использование СНЭ для целей противоаварийного управления. При возникновении аварийной ситуации по сигналам от традиционной системы противоаварийной автоматики (ПА) СНЭ способна воздействовать на процессы в энергосистеме, выдавая или потребляя активную/реактивную мощность со временем отклика около 5 мс. При этом «штатная» ПА энергосистемы должна дублировать возложенные на СНЭ функции, в качестве резервной автоматики. Изменение режима работы энергосистемы, нормальные технологические коммутации её элементов, аварийные события приводят к изменениям уровней напряжения в электрической сети. СНЭ, установленные в узлах нагрузки, способны в темпе переходных процессов поддерживать требуемый уровень напряжения и регулировать его по любому заданному закону. Это позволяет избежать отключения потребителей, снизить перетоки реактивной мощности по линиям электропередачи и понизить вероятность развития лавины напряжения.
Электроснабжение отдельных крупных потребителей электроэнергии или удалённых от объединённой энергосистемы промышленных районов зачастую осуществляется по линиям электропередачи, относящимся к слабым связям. Установка СНЭ на приёмном конце электропередачи, позволяет перераспределять передаваемую энергию во времени таким образом, чтобы сгладить график загрузки электропередачи и снизить пиковое значение мощности в центре питания. Таким образом становится возможным передавать большее количество энергии, не превышая максимально допустимое значение мощности электропередачи. Для потребителей электроэнергии прерывание электроснабжения даже на время работы автоматики АВР может приводить к нарушению технологического процесса и значительному ущербу. Потребители обеспечиваются аварийными дизель-генераторными установками (ДГУ). За время пуска и подключения ДГУ к системе электроснабжения, выбег электродвигателей возрастает настолько, что при самозапуске асинхронных двигателей могут возникать недопустимо большие токи, а синхронные двигатели могут выпасть из синхронизма. Дополнение системы электроснабжения накопителем энергии, способным обеспечить питание потребителей до момента включения аварийного генератора, позволяет существенно повысить надёжность электроснабжения потребителей.
Влияние потребителей большой мощности с резко переменным характером нагрузки на работу энергосистемы имеет ряд негативных последствий. Из-за колебаний мощности по питающим линиям электропередачи возрастают потери активной мощности, понижается уровень статической и динамической устойчивости энергосистемы, возрастает вероятность развития низкочастотных колебаний режимных параметров. Установка СНЭ в узле нагрузки позволяет парировать все нежелательные отклонения режимных параметров и стабилизировать их в заданных пределах.
На большинстве автономных электростанций используются дизельные, газопоршневые и газотурбинные генераторные агрегаты, количество которых на каждой станции не превышает нескольких единиц. Во многих случаях их коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) имеет низкие значения – до 25–35%, что приводит к повышенному расходу топлива. Включение СНЭ в состав автономной электростанции позволяет уменьшить установленную мощность генераторных агрегатов (вплоть до среднего значения графика нагрузки), обеспечить их высокий коэффициент загрузки и существенно сократить расход топлива при условии сохранения максимальной мощности и объёма выработки электроэнергии.
Кроме того, актуальной в современных условиях является способность СНЭ выполнять функцию активного фильтра, не пропуская высшие гармоники токов из системы электроснабжения на приёмном конце электропередачи в передающую энергосистему.
Одна из основных функций СНЭ – управление реактивной мощностью. В узлах установки СНЭ, на фоне выполнения основной функции – управление активной мощностью – целесообразно возложить на них задачу управления реактивной мощностью, заменяя традиционные средства управления, регулирования и компенсации. Быстродействие СНЭ и способность как потреблять, так и выдавать реактивную мощность позволяют применять её не только для регулирования в условиях ведения нормальных режимов, но и для решения задач противоаварийного управления.
СНЭ выполняет защиту генераторных агрегатов от резких изменений нагрузки Резкие, скачкообразные изменения нагрузки значительной амплитуды в автономных, изолированных энергосистемах, а также работающих в островном режиме, могут приводить к аварийным отключениям газопоршневых установок (ГПУ). В то же время ГПУ по технико-экономическим характеристикам наиболее привлекательны для автономных энергосистем предприятий нефтегазового сектора, как правило, не имеющих связи с объединённой энергосистемой.
Также СНЭ позволяют решать задачу управления энергосистемой при значительной доле ветровой или солнечной генерации. Обычно суточный график нагрузки энергосистемы имеет характерный ночной минимум и два максимума – утренний и вечерний. СНЭ, обладающая достаточной энергоёмкостью и мощностью, способен накапливать электроэнергию в период ночного минимума при её минимальной цене и возвращать в периоды максимумов с максимальной ценой. Сглаживание суточного графика позволяет уменьшить его максимум и, следовательно, уменьшить потребность в генерирующей мощности энергосистемы и снизить перетоки мощности по линиям электропередач в периоды максимумов.
В настоящее время необходимыми для выравнивания графиков нагрузки параметрами обладают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и накопители на сжатом воздухе (ВАЭС), позволяющие накапливать/выдавать в течение нескольких часов значительные объёмы энергии.
В мире существуют сотни реализованных проектов с накопителями энергии различных типов. По расчетной мощности накопителей энергии первое место занимает Китай. Это обусловлено тем, что в стране широко применяются гидроаккумулирующие электростанции большой мощности и энергоёмкости. По количеству реализованных проектов различного типа накопителей энергии безоговорочным лидером являются США, где число проектов более чем в 5 раз превышает аналогичный показатель Китая. В США основным типом накопителей энергии являются электрохимические батареи. Их число составляет около 80% от всех видов накопителей по стране.
Электротранспорт уже сейчас является одним из основных потребителем накопителей энергии. В 2018 г. суммарная доля установленных в электроавтомобилях накопителей составила 142 ГВт·ч, при этом к 2030 г. прогнозируется рост до 2623 ГВт·ч. В качестве накопителей в этих автомобилях, как правило, применяются Li-Ion-батареи, однако, иногда также используются суперконденсаторы и топливные элементы.
