Современные системы накопления энергии

Почанин Юрий

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.