На процесс глобальной «декарбонизации» энергетики влияет множество факторов. Они охватывают все сферы – от научно-технологических до социо-гуманитарных аспектов. Однако среди них есть «системообразующая» область, способная выступить одновременно и мультипликатором развития ВИЭ, и средством достижения устойчивости всех подвидов энергетики, а значит и экономики. Речь пойдет о ключевой роли систем хранения энергии
Несмотря на волатильность цен на рынке традиционных энергоносителей, ставшей тенденцией за последние полгода, глобальный переход к возобновляемой энергетике невозможно повернуть вспять. Ситуативные интересы способны повлиять лишь на скорость энергетической трансформации.
Аналитическое агентство IRENA в конце апреля 2020 г. выпустила ежегодный отчет о развитии возобновляемых источников, включающий самую свежую статистику состояния отрасли ВИЭ и прогноз до 2050 г. Среди множества факторов, характеризующих текущую ситуацию в энергетике, на первом месте названа пандемия Covid-19, и лишь затем упоминаются нынешние ценовые колебания на рынке углеводородов.
Ситуация «последнего шанса»
Падение спроса на традиционные энергоносители, вызвано разными факторами. Но нынешняя ситуация с ценами на углеводороды не должна была удивить тех, кто знаком с энергопрогнозами на средне- и долгосрочную перспективу, сделанными в предыдущие годы, см. рис. 1 – ожидаемо меняется характер использования первичной энергии и ископаемого топлива. При очевидном росте глобальной потребности в первичной энергии за последние 5 лет, потребление ископаемого топлива выросло непропорционально мало. Реалистичный сценарий энергопотребностей до 2030 г, учитывающий скорость текущих тенденций, показывает, что через 10 лет потребление угля и нефти существенно упадет, прирост может быть только в использовании природного газа. Это объясняется, в первую очередь тем, что натуральный газ считается самым «экологически чистым» топливом среди всех видов ископаемой органики, а во-вторых – ростом использования газа в качестве сырья для производства товаров и удобрений. Кроме того, газ очень удобен для использования на «быстрых», т. н. «разгонных», мощностях для электрогенерации, компенсирующих пиковое потребление, которое невозможно устранить другими имеющимися средствами. Однако в целом использование ископаемого топлива снизится и к 2030 г., и эта тенденция сохранится и к 2050 г. Оценки на рис. 1 содержат и данные оптимистического сценария, при котором совместными усилиями будут предприняты меры, чтобы остановить климатические изменения, вызванные антропогенными факторами. При данном сценарии и росте общего энергопотребления к 2050 г. существенно снизится использование всех видов ископаемого органического топлива. Нынешнюю ценовую борьбу за присутствие на рынке углеводородов можно сравнить с последним шансом «застолбить» возможность хоть что-то продать напоследок.
Рис. 1. Потребность в энергии и перспективы использования ископаемого топлива, статистика за 2015-2018 / 2019
годы и оценка на период с 2030 года по 2050 год. Источник: IRENA «Global Renewables Outlook, 2020-2050».
Три драйвера для ВИЭ
Рост доли ВИЭ в общей «энергокорзине», говоря общо и не затрагивая проблем, связанных с климатом и экологией, главным образом мотивируется тремя факторами – глобальной электрификацией, ускоренным ростом солнечной PV- и ветровой электрогенерации, повышением энергоэффективности во всех аспектах, включая эффективное использование самих ВИЭ.
Усиливает влияние этих драйверов технология хранения электроэнергии, выступая многофакторным ускорителем расширенной имплементации ВИЭ. Системы хранения электрической энергии (ESS, electrical energy storage systems) относятся к технологиям, которые накапливают электрическую энергию при ее избытке и возвращают ее в сеть по требованию, когда она наиболее необходима.
Прогноз IRENA (см. рис. 2) рассматривает разные типы технологий ESS – т. е., батарейные аккумуляторные батареи, маховики, гидро- и пневмонакопители и т. д..
Рис. 2. Изменения в электрогенерации, факт и прогноз 2016-2050. Источник: IRENA «Electricity Storage Valuation
Framework | Assessing system value and ensuring project viability».
На рис. 2 видно, что наибольшую роль в электрификации будет играть ВИЭ, а среди всех типов ВИЭ самой развитой и распространенной технологией будет PV-генерация. Темпы роста PV-энергетики до середины века показаны на рис. 3. Ожидается, что по сравнению с уровнями 2018 г. совокупная установленная PV-мощность вырастет к 2030 г. в 6 раз, а до 2050 г. совокупный годовой темп роста составит почти 9%. При этом после 2030 г. рост будет иметь практически линейный характер.
Рис. 3. Суммарная установленная мощность PV-установок всех типов, статистика и прогноз 2000-2050 гг., ГВт. Источник: Отчет IRENA «Future of solar photovoltaic».
Развитие солнечной электрогенерации мощно повлияет на технологический уклад мировой экономики, на всю энергетику, а также на социальную сферу, включая увеличение рабочих мест, созданных благодаря развитию PV-отрасли, см. рис. 4.
Рис. 4. Состояние и будущее PV-энергетики и прогноз
ее влияния на экономические и социальные факторы.
Отчет IRENA «Future of solar photovoltaic».
Всестороннее влияние
Развиваясь, технологии ESS не просто подталкивают к дальнейшему переходу энергетики на ВИЭ, они оказывают всестороннее положительное влияние на функционирование имеющейся энергосистемы, охватывая аспекты управления энергосетями и качество электроснабжения, улучшая как локальное распределение энергии, работу линий передач, так и уровень электрогенерации, см. рис. 5.
Рис. 5. Влияние ESS на электросети разного уровня. Источник: IRENA «Electricity Storage Valuation Framework |Assessing system value and ensuring project viability».
Продолжающееся удешевление ESS означает также возможность электроснабжения там, где нет стационарных электросетей – в удаленных и труднодоступных районах, куда прокладывать линии передач совершенно невыгодно. Например, за десять лет, с 2008 по 2018 г., количество и общая установленная мощность автономных PV-систем выросла более чем в 10 раз – с 0,25 до 2,94 ГВт. Безусловно, это было бы невозможно без параллельного развития ESS. При этом ESS устраняют главный недостаток, присущий переменной генерации из ВИЭ – сезонную и суточную нестабильность, решая при этом задачу повышения устойчивости всей энергетики, включая функционирование энергорынка, см. рис. 6.
Рис. 6. Услуги, возникающие благодаря ESS, и их значимость для интеграции ВИЭ в существующую энергосистему.
Источник: IRENA «Electricity Storage Valuation Framework | Assessing system value and ensuring project viability».
Рейтинг технологий ESS Существует огромное количество технических решений для ESS, и их ряд продолжает шириться. В этих условиях сложно сравнивать разные технологии, которые к тому же находятся на разных стадиях развития и внедрения. Тем не менее, чтобы показать комплекс факторов, применяемых для экспертной оценки, можно выделить несколько технологий, которые достаточно известны и имеют устойчивые средне- и долгосрочные перспективы, особенно для расширенного внедрения ВИЭ, см. Таблицу 1.
Таблица. 1. Перспективные системы хранения вание энергорынка, см. рис. 6. возобновляемой электроэнергии
Примечания: ГАЭС – гидроаккумулирующие ЭС; ССВ (CAES, compressed air energy storage) – накопители энергии в виде сжатого воздуха; LFP – литийферрофосфат; LTO – литий-титанат; NaNiCl – натрийникель-хлорид; NaS – натрий-сера: NCA – никелькобальт-алюминий; NMC – никель-марганец-кобальт; VRLA (valve-regulated lead acid) – свинцово-кислотная батарея с клапанным регулированием; AGM (Absorbent Glass Mat) – с абсорбированным электролитом; GC – с гелевым электролитом; ZnBr – цинк-бром; V-flow – ванадиевая проточная батарея. Источник: Отчет IRENA: «Electricity Storage Valuation Framework | Assessing system value and ensuring project viability».
Применяя многофакторный анализ, эксперты ранжировали технологии, указанные в табл. 1, по двум критериям – техническим возможностям и нынешней готовности для коммерческого использования, см. рис. 7.
Рис. 7. Оценка конкурентоспособности технологий ESS для ВИЭ. Источник: Отчет IRENA «Electricity Storage Valuation Framework | Assessing system value and ensuring project viability».
На рис. 7 обозначены: VRLA (valve-regulated lead acid) – свинцово-кислотная батарея с клапанным регулированием; ГАЭС – гидроаккумулирующие ЭС; ССВ (CAES, compressed air energy storage) – накопители энергии в виде сжатого воздуха; LFP – литий-феррофосфат; LTO – литий-титанат; NaNiCl – натрий-никель-хлорид; NaS – натрий-сера: NCA – никель-кобальт-алюминий; NMC – никель-марганец-кобальт; ZnBr – цинк-бром; V-flow – ванадиевая проточная батарея.
C-rate (рис. 7) – это показатель соотношения номинальной мощности и номинальной энергоемкости ESS данного типа. Скорость 1С означает, что при полной мощности накопитель энергии будет полностью опустошен через 1 час. Скорость 2C = 30 минут до полной разрядки устройства, C/2 = 2 часа для полной разрядки и т. д.
Таким образом, технологии батарейного хранения имеют огромный неиспользованный потенциал.
На рис. 8 приведено итоговое ранжирование популярных технологий хранения по результатам многофакторного экспертного анализа. Здесь оценивалась способность устранить или сгладить отрицательные аспекты применения VRE (variable renewable energy) – переменной генерации из ВИЭ. Другими словами, оценивалось то, насколько данная технология ESS способствует продвижению VRE (в первую очередь – солнце и ветер) при одновременном увеличении стабильности электроснабжения и увеличения устойчивости энергосистемы как на региональном, так и на локальном уровне. Здесь приведены те же технологии ESS, что и на рис. 7, однако оценка проводилась по другим интегральным критериям.
Рис. 8. Рейтинг технологий ESS для расширенной имплементации VRE. Источник: Отчет IRENA «Electricity Storage
Valuation Framework | Assessing system value and ensuring project viability».
На рис. 9 показано, как аккумулирование электроэнергии снижает пиковую нагрузку и оптимизирует стоимость электроэнергии в часы пик, выполняет функцию стабилизации работы сети и устраняет перегенерацию.
Технологии ESS способствуют расширению доли VRE в составе энергетики в целом за счет: а) смещения выработки VRE в часы пик и б) уменьшения неиспользованной, «холостой» генерации из VRE, что усиливает обоснованность для дальнейших «жизнеспособных» инвестиций в ВИЭ.
Рис. 9. Диспетчеризация локального устройства ESS, включая предоставление сетевых услуг. Источник: Отчет IRENA: “Electricity Storage Valuation Framework | Assessing system value and ensuring project viability”.
Как известно, VRE характеризуется своей принципиальной изменчивостью, неопределенностью, а порой и непредсказуемостью, несмотря на то, что методы прогнозирования с каждым годом совершенствуются и теперь опираются на искусственный интеллект. Это означает, что средства VRE не имеют строго фиксированного выхода. На стабильность текущей генерации (а значит, эффективного и экономически оптимального результата) влияют неконтролируемые погодные факторы.
«Смягчение VRE» означает способность накопителей устранить или частично компенсировать последствия от «переменчивости» ВИЭ-генерации и, таким образом, позволит шире внедрять «безуглеродную» энергетику.
Высокий уровень использования ВИЭ в энергосистеме увеличивает общую изменчивость и неопределенность, что может привести к нехватке мощности и к нестабильности энергосистемы. Однако путем надлежащего управления средствами ESS такие трудности преодолимы.
Регулирование частоты, стабильность напряжения, бесперебойность снабжения, резервирование и альтернативные маршруты поставки и т. п., вообще говоря, не дополнительные, а технологически обязательные услуги, возникающие в процессе эксплуатации энергосистемы и требующие затрат вполне осязаемых материально-технических средств и усилий.
Преимущества ESS в т. ч. обусловлены: а) более эффективной диспетчеризацией устройств, подключенных к сети, поскольку обычные средства генерации будут иметь больший доступ к энергии из хранилищ, и б) возможностью отсрочить затраты на расширение генерирующих мощностей.
Аналогично, ESS может предлагать различные сервисы, которые в противном случае обеспечивались бы обычными генераторами. Развертывание ESS увеличивает уровень использования имеющихся мощностей и экономическую эффективность существующих генерирующих станций, таким образом, потенциально откладывая необходимость в создании новых. Это также косвенно снижает затраты производителя и влияет на счет, выставляемый потребителю. Помимо влияния на капитальные затраты при модернизации инфраструктуры оказание системных услуг способствует достижению задач «Сдвига ВДЭ» и «Смягчения VRE».
Рост несогласованности между генерацией и потреблением, которая в случае увеличения некомпенсированной доли VRE в энергосистеме, безусловно, возрастает, будет вызывать нерасчетную нагрузку на линии. Системы передачи и перераспределения энергии (T&D) на уровне локальных потребителей модернизируются с учетом прогнозируемой пиковой нагрузки для каждой линии и потоков электроэнергии в системе. Однако пиковая нагрузка в различных контурах T&D случается обычно в течение нескольких часов в день и часто носит сезонный характер или зависит от погодных условий.
Размещение объекта ESS рядом с местом перегрузки может помочь удовлетворить спрос на электроэнергию в часы пик без необходимости переделки линий T&D. Кроме того, сети T&D обычно модернизируются «с запасом» из-за значительного времени на строительство.
Экономия из-за отсрочки затрат на модернизацию сетей T&D обычно оценивается для каждого конкретного случая. Тем не менее, этот фактор важно учитывать при оценке технологий ESS, так как они могут подтвердить экономическую обоснованность развертывания системы аккумулирования того или иного типа.
Так как системы хранения многофункциональны, пригодность к управлению реактивной мощностью позволяет улучшить качество и стабильность энергоснабжения для сетей со значительной долей VRE-генерации.
Накопитель электроэнергии способен поглощать избыточную энергию, которая не может быть использована. С точки зрения собственного потребления, локальная ESS может быть совмещена, например, с солнечной PV-установкой на крыше дома, и избыток электричества можно поглощать в течение дня и использовать его ночью, когда нет солнца. Этот тип ESS называют хранилищем «за счетчиком», поскольку он расположен ниже точки подключения потребителя к предприятию-поставщику энергии.
В случае, если ESS не может покрыть локальную потребность, электроэнергию можно получать из сети. Способность хранить энергию приводит к уменьшению счета потребителя за приобретаемую электроэнергию из внешних источников. Можно также приобретать энергию при ситуативно низких ценах на электроэнергию и продавать накопленную энергию в общую электросеть, когда цены высоки (арбитраж) и даже выступать в качестве источника резервного питания.
Параметры, используемые при оценке эффективности технологий хранения, см. рис. 8, имеют интегральный, взаимосвязанный, хотя порой и противонаправленный характер. Важно отметить, что оценки, полученные технологиями лишь по техническим и коммерческим параметрам, см. рис. 7, очень отличаются от тех, что были определены для ранжирования по степени их влияния на скорость трансформации энергетики, расширенного продвижения ВИЭ и, в частности, VRE-генерации (рис. 8).
В целом же, ESS системно «мультиплицируют» положительные эффекты расширения доли ВИЭ в общем энергопакете и существенно уменьшают отрицательные факторы нестабильности генерации из ВИЭ.
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 2 199
