Повышение надежности и устойчивости электросетей с помощью решений для хранения энергии

Как решения для хранения энергии в сетях повышают надежность и устойчивость электросетей

Системы хранения энергии работают примерно так же, как демпферы в современных электросетях, почти мгновенно реагируя на падение напряжения или неисправность оборудования. Эти системы поддерживают частоту вблизи стандартных 60 или 50 Гц, обычно с отклонением около половины герца в ту или иную сторону. Это важно, потому что без такого контроля ранее уже возникали серьёзные проблемы, когда небольшие сбои перерастали в масштабные отключения, затрагивающие сразу несколько штатов. Ценность этих систем хранения заключается в их способности возвращать электроэнергию в сеть за доли секунды, что значительно способствует стабилизации всей сети. Во время сбоев в работе сети эта возможность быстрого реагирования становится абсолютно необходимой для бесперебойной работы больниц, служб экстренного реагирования и других жизненно важных объектов.

Интеграция систем хранения энергии с возобновляемыми источниками энергии для стабильного энергоснабжения

Накопление энергии работает особенно эффективно в сочетании с солнечными панелями и ветряными турбинами, поскольку выработка энергии из возобновляемых источников в течение дня сильно колеблется — примерно в 70% случаев. Энергокомпании могут продолжать поставлять электричество, не прибегая к резервным источникам на угле или газе, что особенно важно ночью, когда заходит солнце, или когда несколько дней подряд нет ветра. Накопленная энергия покрывает пробелы, когда выработка падает, обеспечивая стабильное электроснабжение для потребителей. Это позволяет в целом увеличить долю чистой энергии в электросети — чего уже много лет добиваются экологические организации.

Услуги по накоплению энергии, такие как срезка пиковых нагрузок и балансировка потребления

• Срезка пиковых нагрузок: Накопитель отдаёт энергию в часы максимального спроса (например, с 17:00 до 20:00), снижая нагрузку на линии передачи и откладывая необходимость дорогостоящего обновления инфраструктуры
• Балансировка нагрузки: Аккумуляторы перераспределяют избыточную энергию из зон с избытком в районы, испытывающие дефицит, оптимизируя использование сети и минимизируя перегрузки

Эти услуги повышают эффективность и уменьшают износ устаревшей инфраструктуры, способствуя долгосрочной надежности системы

Аналитика данных: Хранение энергии в сетях сокращает продолжительность отключений на 40% (U.S. DOE, 2023)

В отчете Министерства энергетики США за 2023 год о надежности систем было установлено, что регионы с мощностью хранения не менее 500 МВт восстанавливали подачу электроэнергии на 2,3 часа быстрее во время штормов по сравнению с сетями без систем хранения. Это улучшение показателей восстановления на 40% достигается благодаря способности систем хранения:

1. Поддерживать работу критически важных объектов — больниц, центров обработки данных, очистных сооружений — во время сбоев в передаче электроэнергии
2. Обеспечивать более быстрый перезапуск сети ("черный пуск") с использованием накопленных резервов, ускоряя полное восстановление

Эта способность становится все более важной по мере того, как экстремальные погодные явления испытывают надежность электросетей

Ключевые технологии хранения энергии, используемые в современных сетевых приложениях

Обзор технологий хранения энергии и их классификация по продолжительности и функции

Современные решения для хранения энергии в электросетях используют различные технологии, каждая из которых подходит для определенной продолжительности и функций:

Тип технологии	Длительность	Ключевые применения
Литий-ионные аккумуляторы	Краткосрочные и среднесрочные	Регулирование частоты, поддержка пиковых нагрузок
Текущие аккуумуляторы	Среднесрочные и долгосрочные	Сдвиг нагрузки, интеграция возобновляемых источников энергии
Накопление энергии с помощью насосной гидроэлектростанции	Долгосрочные	Масштабное хранение энергии, сезонное балансирование
Тепловое хранение	Краткосрочные и долгосрочные	Управление промышленным теплом, системы когенерации

Как показывают исследования в области устойчивых энергетических систем, такая классификация помогает коммунальным предприятиям согласовывать выбор технологий с операционными потребностями: системы краткосрочного хранения, такие как суперконденсаторы, устраняют кратковременные дисбалансы, тогда как поточные батареи управляют сдвигами в выработке энергии из возобновляемых источников в течение нескольких часов.

Литий-ионные и топливные элементы: эффективность в решениях для хранения энергии в сетях

Литий-ионные аккумуляторы практически являются стандартным выбором для краткосрочных задач хранения, поскольку они обладают впечатляющим КПД цикла зарядки-разрядки в диапазоне от 90% до 95%, а также временем отклика менее 100 миллисекунд. Однако, когда речь идет о более долговечных решениях, выделяются топливные элементы. Срок службы таких систем составляет от 20 до 30 лет по сравнению с типичным сроком службы литиевых аккумуляторов — около 10–15 лет. Кроме того, технологии топливных элементов легко масштабируются для удовлетворения потребностей в 4–12-часовых циклах разряда, необходимых при использовании вместе с возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечные панели или ветряные турбины, в течение нескольких дней. То обстоятельство, что их электролиты не деградируют со временем, на самом деле помогает снизить общие расходы на техническое обслуживание, несмотря на то, что они обеспечивают меньшую плотность энергии на единицу объема по сравнению с литиевыми аналогами.

Перспективные технологии: твердотельные и гравитационные системы хранения

Твердотельные батареи потенциально могут хранить вдвое больше энергии, чем обычные литий-ионные элементы, при этом значительно меньший риск возгорания. Это означает, что их можно безопасно устанавливать в небольших помещениях, расположенных прямо рядом с городскими районами, не опасаясь взрывов. Также существуют решения для хранения энергии на основе гравитации, такие как большие механические башни от Energy Vault. По сути, они поднимают тяжелые композитные блоки вверх, когда доступна дополнительная электроэнергия, и опускают их вниз по мере необходимости, сохраняя энергию этим способом на протяжении многих лет. Система теряет всего около 15% хранимой энергии, что довольно хорошо, учитывая срок службы этих устройств. Все эти новые технологии открывают возможности в местах, где традиционные аккумуляторные технологии просто не работают эффективно из-за проблем безопасности или ограниченных материалов.

Анализ трендов: Глобальный переход к системам долгосрочного хранения энергии (LDES) к 2030 году

Прогнозы рынка предполагают, что сектор долгосрочного хранения энергии (LDES) может достичь стоимости около 120 миллиардов долларов к концу этого десятилетия. Основной импульс исходит от растущего спроса на системы, способные разряжать энергию более десяти часов подряд, что крайне важно для сокращения выбросов углерода по всей энергосети. Почти половина всех новых установок возобновляемых источников энергии в наши дни сопровождается каким-либо обещанием LDES, что связано в первую очередь с падением цен на такие технологии, как железо-воздушные батареи и системы хранения сжатого воздуха. То, что мы наблюдаем сейчас, уже не просто задача поддержания электроснабжения во время краткосрочных перебоев. Вместо этого компании начинают думать на несколько дней вперед, даже на месяцы вперед, планируя, как их системы хранения энергии будут справляться со всем — от недельных периодов аномальной жары до целых сезонов с колеблющимися объемами предложения и спроса.

Интеграция в сеть и эксплуатационные характеристики систем хранения энергии

Внедрение систем хранения энергии (ESS) в современные электрические сети — задача непростая. Существует множество технических препятствий, которые необходимо преодолеть, чтобы добиться наилучшей возможной производительности этих систем. Одними из серьёзных проблем являются раздражающие скачки напряжения, возникающие при быстрой зарядке и разрядке аккумуляторов. Кроме того, возникают сложности с организацией двустороннего потока энергии в гибридных установках на основе возобновляемых источников энергии. Согласно исследованию, опубликованному в прошлом году в журнале Journal of Power Sources, при установке крупных аккумуляторных блоков в устаревшую инфраструктуру сетей выделяются две основные проблемы. Первая — поддержание стабильности частоты, что становится затруднительным при постоянном подключении и отключении аккумуляторов. Вторая — управление тепловыделением в таких масштабных установках, что со временем усложняется по мере увеличения размеров батарейных массивов.

Технические вызовы интеграции систем хранения энергии в электросети

Старые конструкции сетей испытывают серьезные трудности с темпами отклика литий-ионных аккумуляторов и систем поточных батарей. Достижение сверхбыстрого времени отклика в сочетании с обычным оборудованием регулирования напряжения, как правило, требует проведения масштабных работ на подстанциях. Согласно некоторым отчетам из практики, примерно одна из каждых четырех компаний, занимающихся передачей электроэнергии в Северной Америке, сталкивается с проблемами несовместимости инверторов при попытке модернизировать старые подстанции для систем накопления энергии. Это указывает на острую необходимость более совершенных стандартных правил подключения этих новых технологий к электросети.

Умные инверторы и передовые системы управления, обеспечивающие бесшовную интеграцию возобновляемых источников энергии

Смарт-инверторы следующего поколения помогают поддерживать стабильность электрической сети, поскольку позволяют системам хранения энергии регулировать свою реактивную мощность при резком увеличении выработки солнечной энергии или снижении доступности ветра. Когда эти устройства работают вместе с системами управления на основе искусственного интеллекта, прогнозирующими будущие изменения, испытания показали снижение потерь возобновляемой энергии примерно на 18 процентов в Среднем Западе США в прошлом году. Возьмём в качестве хорошего примера систему CAISO в Калифорнии. Там были внедрены действительно эффективные методы управления координацией между аккумуляторами и солнечными панелями общей мощностью 3,2 гигаватта с использованием измерений в реальном времени. Это позволяет всему работать стабильно, несмотря на постоянные изменения объёмов электроэнергии от возобновляемых источников и колебания потребительских паттернов в течение дня.

Пример из практики: развертывание крупномасштабных батарей в Калифорнии для поддержки избыточной выработки солнечной энергии

В мае 2024 года, когда выработка солнечной энергии достигла рекордного уровня, совокупность батарей из литий-железо-фосфата ёмкостью 4 часа в Калифорнии поглотила около 1,7 гигаватт-часов избыточной электроэнергии, выработанной в середине дня. Этого достаточно для обеспечения электричеством примерно 125 тысяч домашних хозяйств. Энергия, сохранённая таким способом, покрыла почти 89 процентов резкого скачка потребления электроэнергии в вечерние часы. Это показывает, что при размещении систем накопления энергии (ESS) там, где они действительно нужны, избыточная мощность, которая в противном случае была бы потрачена впустую, превращается в полезный и надёжный ресурс. Таким образом, сокращаются потери энергии и одновременно снижается зависимость от дорогостоящих электростанций на природном газе, запускаемых в часы пиковой нагрузки. И кошелёк, и окружающая среда выигрывают от такого подхода.

Экономические и экологические преимущества решений для хранения энергии в сетях

Снижение простоев за счёт интеграции систем хранения энергии с возобновляемыми источниками энергии

Накопление энергии позволяет сократить потери возобновляемых источников, аккумулируя избыточную выработку солнечных и ветровых электростанций в периоды низкого спроса. В 2023 году Калифорния сократила объем ограничений генерации на 34% за счет целевого развертывания аккумуляторных систем. Использование накопленной энергии в часы пиковой нагрузки максимизирует использование возобновляемых источников и снижает зависимость от пиковых электростанций на ископаемом топливе, повышая устойчивость и экономическую эффективность энергосистемы.

Снижение удельной стоимости хранения энергии (LCOS), стимулирующее внедрение зелёной энергетики

Улучшения в технологии аккумуляторов, а также увеличение объемов производства снизили удельную стоимость хранения (LCOS) для систем на основе литий-ионных технологий примерно на 52% с 2018 года. В наши дни энергетические компании все чаще используют решения для хранения энергии не только для поддержания стабильности электросетей, но и для обеспечения надежного электропитания в нужный момент, часто при стоимости, которая может конкурировать с предложением электростанций, работающих на природном газе. Недавний отчет Массачусетского технологического института (MIT) за 2023 год предполагает, что ситуация будет улучшаться дальше, прогнозируя, что удельная стоимость хранения для систем с продолжительностью четыре часа может упасть ниже 50 долларов США за мегаватт-час к концу этого десятилетия. Такой прогресс определенно ускоряет наше продвижение к более чистым энергетическим сетям, способным справляться с любыми возникающими обстоятельствами.

Экологическое воздействие: как хранение энергии способствует достижению целей по декарбонизации

Системы накопления энергии в сетях способствуют интеграции большего количества возобновляемых источников энергии в наши энергосистемы, сокращая выбросы углекислого газа примерно на 12–18 миллионов тонн в год только в Соединённых Штатах. Эта технология уменьшает зависимость от газовых турбин, выделяющих большое количество метана, особенно при повышенных нагрузках на электрическую сеть. В сочетании с гибридными объектами на возобновляемых источниках энергии такие системы хранения позволяют добиться реального прогресса в достижении амбициозного сокращения выбросов от производства электроэнергии на 72%, что, согласно многим климатическим моделям, необходимо для выполнения условий Парижского соглашения. Таким образом, решения для хранения энергии являются ключевыми компонентами в любом серьёзном стремлении к сокращению парниковых газов по всему миру при одновременном обеспечении надёжного электроснабжения.

Часто задаваемые вопросы

Какова роль систем накопления энергии в надёжности электросетей?

Системы накопления энергии действуют как демпферы, быстро реагируя на падение напряжения или сбои в работе оборудования, стабилизируя тем самым сеть и обеспечивая бесперебойное питание критически важных служб.

Как системы хранения энергии интегрируются с возобновляемыми источниками энергии?

Системы хранения энергии аккумулируют избыточную мощность, генерируемую возобновляемыми источниками, снижая колебания и обеспечивая стабильное энергоснабжение даже когда выработка энергии от возобновляемых источников падает.

Какие виды услуг обеспечивают решения по хранению энергии в электросети?

Эти решения обеспечивают пиковый сброс нагрузки за счет разряда энергии в периоды высокого спроса, а также балансировку нагрузки, перераспределяя избыточную энергию из избыточных районов в районы с дефицитом.

Каковы экономические выгоды от решений по хранению энергии?

Решения по хранению энергии снижают уровень затрат на хранение (LCOS), уменьшают зависимость от электростанций, работающих на ископаемом топливе, и сокращают потери возобновляемой энергии, обеспечивая экономически эффективные и устойчивые электрические сети.