Системы хранения солнечного электричества

С. Шовкопляс
Суточная, недельная, сезонная, годовая неравномерность генерации солнечными электрогенерирующими установками может быть компенсирована применением аккумулирующих устройств. Какие современные технические решения пригодны для хранения энергии, полученной на солнечных станциях, и какие системы более всего подходят для домашних PV-систем?

1 Немецкий институт солнечных энергетических систем им. Фраунгофера (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Fraunhofer ISE) ведет специальный сайт, где отображает статистику энергии, полученной всеми видами генерации энергии для «общественного потребления»включая возобновляемые источники энергии (ВИЭ). На рис. 1 показан график за январь 2017 г. Эта статистика обновляется в режиме онлайн с задержкой в несколько минут и отображает производство только той энергии, которая поступает в общую энергосистему страны, не включая «домашние системы», например, солнечные панели на крышах домов или ветрогенераторы.RI1

Рис. 1. График суммарной генерации электроэнергии всеми видами станций в Германии в январе 2017 г. Источник: Fraunhofer ISE

График очень показательный. Во-первых, из него видно, что в январе этого года в Германии (которая в целом значительно севернее Украины) были дни, когда ветровая и солнечная генерация покрывала более половины всей потребности в энергии этой самой промышленно развитой страны ЕС. Более того, чтобы изъять избыток энергии из сети пришлось глушить электростанции на буром и каменном угле и на мазуте. В качестве «быстрых» компенсирующих мощностей, способных погасить часовые флуктуации в разнице между генерацией и временным всплеском энергопотребления, использовались газотурбинные установки и энергия, запасенная в гидроаккумулирующих станциях (ГАЭС) и в «сезонных» хранилищах. Атомные и биогазовые электростанции работали в стабильном режиме, примерно поровну обеспечивая порядка 15 ГВт мощности, при этом зафиксированная максимальная потребность Германии в электричестве в январе 2017 г. составила 83,63 ГВт.

Во-вторых, из него видно, что суточная и недельная генерация солнечными и ветровыми станциями крайне неравномерна, но, как правило, генерируемая ими мощность вырабатывается в противофазе между собой, попеременно.

В-третьих, наличие такого онлайн-графика свидетельствует, что в стране ведется строгий учет и имеется достоверная статистика энергии, полученной от ВИЭ. Видно, что помимо учетаосуществляется четкая диспетчеризация и оперативное управление всеми видами мощностей в рамках энергосистемы Германии, при этом максимизируется генерация из «чистых» источников и, насколько возможно, экономится энергия, полученная из ископаемого топлива.

Инфраструктура єнергосистем меняется

Быстрый рост различных ВИЭ, а именно солнечной PV- и ветрогенерации, катализировал усилия по модернизации инфраструктуры системы электроснабжения в разных странах. При развитии ВИЭ и повышении уровня их «проникновения» в энергосистему и доли вырабатываемой ими энергии увеличивается потребность в компенсирующих ресурсах, которые способствуют «гибкости» энергосистемы. Это гарантирует, что стабильность энергосистемы поддерживается путем быстрого сопоставления спроса и предложения электроэнергии и быстрой компенсации всплесков потребления – как избытка, так и нехватки энергии. Системы хранения энергии, аккумулирующие энергию на разных уровнях, предназначены для быстрого реагирования энергосистемы и оперативного управления колебаниями мощности в участках электросети.

Имеется целый ряд технических решений, которые применяются для аккумулирующих систем, работающих для целой страны, для региональной энергосистемы и для сглаживания всплесков в локальных сетях вплоть до компенсации потребления отдельного домохозяйства. Степень их применимости оценивают по мощности и по времени их заряда/разряда (вернее – быстродействию по отдаче энергии и скорости поглощения ее избытка в системе). На рис. 2 показаны типичные решения, которые уже применяются в системах аккумулирования энергии и в качестве компенсационных мощностей, способных работать совместно с ВИЭ.2

Рис. 2. Типы систем хранения электроэнергии из ВИЭ. Источник: World Energy Council (WEC), Shifting from cost to value, wind and solar applications – 2016

Решения, показанные на рис. 2, очень различны по стоимости, емкости и быстродействию. Это определяет круг решаемых ими задач и экономическую оправданную сферу их применения, см. рис. 3. Очевидно, что наиболее мощные системы применяются для стабилизации локальных и региональных энергосистем, вплоть до национальных энергосистем целых стран.

Рис. 3 показывает, что не все устройства хранения одинаково подходят для всех областей применения: системе хранения, чтобы компенсировать волатильность электрогенерации, присущую ВИЭ, нужна способность быстро накапливать (поглощать) энергию в течение часов и даже минут одновременно с возможностью отдавать высокую мощность в другое время дня, причем иногда в течение одних-двух суток.3

Рис. 3. Применимость различных систем хранения. Источник: World Energy Council (WEC), Shifting from cost to value, wind and solar applications – 2016

Из рис. 3 также видно, что батареи подходят именно для совместного применения с ВИЭ. Длясравнения: для поддержания баланса национальных энергосистем и для того, чтобы иметь адекватный запас мощности, более уместны устройства хранения, которые в состоянии сгладить дневные, а не часовые пиковые нагрузки – для таких случаев лучше подходят гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), см. рис. 1.
Системы преобразования избыточной (например, сезонной) мощности в газ (PtG, Power to Gas – в водород или в синтезированный горючий газ, химически подобный «натуральному» газу) имеют смысл для сглаживания длительных несогласований электрогенерации и энергопотребления. Однако такие системы хранения, накапливая энергию в течение сезона, могут хранить ее без ущерба в течение ряда лет, при этом способны быстро, в течение часов,«отдать» ее в общую энергосистему.
Диаграмма на рис. 4 иллюстрирует сравнение технологий хранения, исходя из наилучшей пригодности. Подобно показанному на рис. 2, здесь технологии хранения классифицируются в зависимости от способности преобразовывать накопленную энергию в генерируемую мощность (Energy to Power, E2P) или от «времени разряда» (т. е. времени «отдачи», не путать с «саморазрядом»).4

Рис. 4. Назначение технологий хранения энергии. Источник: World Energy Council (WEC), Shifting from cost to value, wind and solar
applications – 2016

Диапазон применения

В таблице из другого источника (IRENA) приводятся данные, уточняющие способность к быстрой энергоотдаче батарейных систем по сравнению с более емкими и «медленными&raquo решениями. Из нее видно, что электроаккумуляторы охватывают сегмент малой и средней мощности в диапазоне четырех-пяти (!) порядков. Этот факт во многом объясняет широкое применение данной технологии – от региональных систем до отдельных домохозяйств.

Tabl_1Таблица. Диапазон мощности и время отдачи систем хранения. Источник: InternationalRenewable Energy Agency (IRENA), Planning for the Renewable Future, 2017

В январе этого года стало известно о запуске в эксплуатацию крупнейшей в мире станции хранения на литий-ионных аккумуляторах суммарной мощностью 80 МВт•ч, построенной Teslaдля энергокомпании Southern California Edison (SCE) на подстанции в Мира-Лома, США. Эта система состоит из 400 новых аккумуляторных модулей Powerpack Tesla 2, установленной мощностью по 210 кВт. Они вдвое мощнее Powerpack первого поколения. Аккумуляторная станция в Мира-Лома (рис. 5) сможет в течение суток обеспечивать электроэнергией 2,5 тысячи домохозяйств. Литий-ионные модули Powerpack были специально разработаны для массового применения вместе c домашними PV-установками и ветрогенераторами, но могут служить и «кубиками», из которых строятся более масштабные хранилища энергии.рис.5 tesla-sce-mira-loma-substation

Рис. 5. Крупнейшая в мире станция на Li-ion батареях в Мира-Лома, США, январь 2017 г

Особенности аккумуляторов для домашних PV-систем

Батарейные хранилища энергии увеличивают собственное потребление от небольших солнечных фотоэлектрических установок на коммерческих объектах и/или в домашних хозяйствах и увеличивают степень «местного проникновения» в локальную сеть. Батарейный накопитель энергии также помогает уменьшить влияние ограничений по мощности в локальной электросети. Это достигается за счет использования хранилища для выравнивания спроса на электроэнергию, подаваемую владельцем солнечной установки в общую сеть по «зеленому»тарифу – сброс фотоэлектричества в сеть может быть ограничен, если он не совпадает с пиковыми периодами спроса (Fraunhofer ISE, 2013).

Рис. 6 демонстрирует разницу между неконтролируемой зарядкой аккумулятора и зарядкой и производством солнечного фотоэлектричества с управлением от контроллера, который учитывает потребление энергии в сети и оптимизирует работу PV-установки в целом.6

Рис. 6. Системы хранения для работы с локальной PV-установкой. Источник: International Renewable Energy Agency (IRENA), Battery storage report, 2015.

Оптимизация собственного потребления солнечной PV-энергии – это лишь один из аспектов бытовой батарейной системы. Чтобы принести пользу как владельцу PV-установки, так и системе энергоснабжения, нужно учитывать график местного спроса энергии в локальной электросети.

Пик солнечной освещенности, как правило, приходится на полдень. Если не контролировать профили PV-вывода и зарядки аккумулятора, то,прежде всего, с самого утра начнет заряжаться батарея вплоть до ее полной зарядки, а затем имеющийся избыток электричества с максимальной мощностью будет «экспортироваться» в общую сеть на пике добычи солнечной энергии.

Такой «экспортный» сброс энергии по «зеленому тарифу» может не соответствовать периоду пикового спроса в локальной сети. Это приводит к избытку энергии от ВИЭ по сравнению с потребностью, особенно в распределенных сетях, что потенциально может привести к перенапряжению в сети и авариям. И это же может стать причиной ограничения (препятствием) внедрению солнечных установок в определенной местности и подключения их по «зеленому тарифу», и компрометировать распространение ВИЭ в целом.

Кроме того, правильно подобранная емкость системы хранения к профилю потребления по расчетам специалистов Fraunhofer ISE, Германия, поможет увеличить собственное потребление солнечного электричества в самом домохозяйстве на 66%. Причем обственное потребление, которое больше всего приходится на утренние и вечерние часы, обычно тоже не совпадает с наиболее активной PV-генерацией. А это означает, что оптимизация профиля потребления с помощью аккумуляторных систем поможет снизить общую стоимость и установленную мощность всей домашней PV-установки и не приобретать солнечные модули и инверторы «с запасом».

Системы хранения позволят точнее рассчитать количество панелей (и мощность всех элементов системы), исходя не из минимальной среднесуточной выработки электричества PV-модулями, а с учетом общего фактического энергопотребления в соответствии с требованиями семьи. Это означает, что при правильном сочетании мощности солнечной установки PV и емкости батареи собственное потребление солнечной энергии может быть, по меньшей мере, вдвое большим. Например, пять киловатт-пик (кВтп) PV-установки с батареей емкостью 4 кВт•ч может увеличить собственное потребление электроэнергии в домашнем хозяйстве от PV-панелей той же мощности на величину от 30% до 60% (данные Fraunhofer ISE, 2013, 2014).

Во что обойдется система хранения?

Есть уже сотни различных поставщиков решений батарейных систем для домо хозяйств с системами их управления по оптимизированным алгоритмам, позволяющим интегрировать аккумуляторы с PV-панелями и/или с ветровыми турбинами. Их стоимость продолжает снижаться, хотя некоторые типы батарейных технологий уже близки к нижнему пределу, обусловленному себестоимостью основных материалов и химических соединений. Более подробно о перспективах снижения общей стоимости PV-установок, включая цену их дополнительных компонентов (BoS), см. в статье «Насколько подешевеет солнечное электричество?», журнал AW-Therm № 5, сентябрь – октябрь 2016.

Тем не менее, данные IRENA, см. рис. 7 а), б), показывают, что некоторые технологии сохраняют потенциал снижения цены до 2020 г. почти в 1,5 – 2 раза. Это согласуется с прогнозами Tesla о снижении почти вдвое своих нынешних цен литий-ионных аккумуляторов для домашних PV-установок до уровня $0,2 за Вт•ч до 2020 г.77

Рис. 7. Цены на электрические аккумуляторы для домашних и коммунальных PV-установок: а) самые низкие текущие и прогнозируемые цены на аккумуляторы разного типа; б) самые низкие текущие и прогнозируемые цены на литий-ионные аккумуляторы. Источник: International Renewable Energy Agency (IRENA), Battery storage report, 2015

Общий вывод таков – применение систем хранения энергии увеличивает привлекательность использования солнечной энергии для бытовых и коммунальных нужд и способствует большему «проникновению» солнечной электрогенерации в конкретной местности, обеспечивая при этом стабильность работы локальной электросети. Аккумуляторные системы могут повысить фактическую эффективность PV-модулей и даже снизить общую стоимость PV-установок.




Оставьте комментарий