Необходимость учета прерывистости: почему накопители энергии для электросетей необходимы для интеграции возобновляемых источников энергии

Как изменчивость солнечной и ветровой энергии вызывает несоответствия во времени между предложением и спросом

Проблема солнечной и ветровой энергии заключается в том, что их выработка зависит от погоды: она то появляется, то исчезает, что создаёт множество трудностей при согласовании потребностей населения с объёмом вырабатываемой энергии. Возьмём, к примеру, солнечную энергию: её пиковая выработка приходится на полдень, однако в это время большинство людей практически не потребляют электроэнергию. Затем наступает ночь: все включают освещение и бытовые приборы, но солнце уже полностью зашло за горизонт. Ветровая энергия тоже не лучше — порой ветер дует сильным потоком, а спустя несколько часов, когда проходят штормы, стихает почти до полного затишья. Из-за такой непредсказуемости операторы электросетей вынуждены поддерживать в рабочем состоянии старые угольные и газовые электростанции на случай, если «зелёная» энергия окажется недостаточной, — что влечёт за собой дополнительные расходы и в долгосрочной перспективе является нецелесообразным. Главная сложность состоит в том, чтобы обеспечить достаточный объём возобновляемой энергии именно в тот момент, когда вечером резко возрастает спрос, особенно учитывая, что количество солнечных панелей, устанавливаемых на крышах домов, ежегодно продолжает расти. Если мы не найдём способы ликвидировать временной разрыв между моментом поступления чистой энергии и моментом, когда она нам действительно необходима, вся наша электрическая система может стать нестабильной, и мы рискуем попросту терять ценные объёмы возобновляемой энергии из-за отсутствия возможностей для её хранения или использования.

Эмпирические точки напряжения в электросети: кейс-стади ERCOT и CAISO при уровне проникновения возобновляемых источников энергии свыше 30%

Анализ реальных данных крупнейших американских электросетей показывает, что при доле переменных возобновляемых источников энергии около 30 % от общей выработки возникает серьёзная нагрузка на систему. Возьмём, к примеру, Калифорнию. Выработка солнечной энергии зачастую падает на 80 % в период с 16:00 до 20:00, когда люди возвращаются домой и включают освещение, бытовые приборы и т. д., в то время как спрос на электроэнергию возрастает примерно на 40 %. Это создаёт огромный дефицит мощности в 15 гигаватт, который операторы вынуждены быстро компенсировать за счёт газовых электростанций. Во время прошлогодней экстремальной жары подобная ситуация, известная как «утиная кривая», едва не привела к введению режима чередующихся отключений, несмотря на обилие солнечного света в течение дня. И Калифорния была не единственным штатом, столкнувшимся с такими трудностями: в 2023 году Техас пережил аналогичную ситуацию, когда в часы пик ветер полностью стих, и выработка ветроэлектростанций составила лишь 8 % от их потенциальной мощности. В результате цена на электроэнергию в штате взлетела до 740 000 долларов США за мегаватт-час. Эти реальные примеры наглядно демонстрируют, почему наличие достаточных объёмов энергохранилищ становится абсолютно необходимым при значительной зависимости от возобновляемых источников энергии. Без надёжных резервных систем мы рискуем столкнуться как с отключениями электроснабжения, так и с резкими колебаниями цен — именно в тот момент, когда это наиболее неприемлемо для потребителей.

Основные услуги сетевой инфраструктуры, обеспечиваемые системами хранения энергии в сети

Регулирование частоты и поддержка инерции: реакция менее чем за одну секунду от литий-ионных систем хранения энергии (BESS)

Современные электрические сети требуют почти мгновенных корректировок лишь для поддержания стабильной частоты — примерно 50 или 60 Гц в зависимости от региона. Системы накопления энергии на основе литий-ионных аккумуляторов реагируют на колебания спроса и предложения менее чем за одну секунду, что значительно превосходит старые тепловые электростанции в любое время суток. Если частота в сети падает слишком низко, такие аккумуляторы могут в течение половины секунды вернуть мощность в сеть. А при избытке поступающей энергии они, напротив, поглощают её. Такая оперативность помогает сгладить все колебания, вызванные ветровыми и солнечными источниками энергии, обеспечивая баланс с точностью около 90 %. Это существенно выше стандартного показателя в 30–40 %, характерного для традиционного оборудования. Что делает эту технологию ещё более впечатляющей? Современные инверторы способны имитировать так называемую вращательную инерцию — параметр, ранее присущий исключительно крупным вращающимся генераторам. Для этого они отслеживают изменения углов напряжения по всей сети и в режиме реального времени корректируют поток мощности, действуя почти как рефлекторная реакция.

Поддержка нарастания нагрузки и возможность запуска из состояния полного отключения — замена пиковых электростанций на основе ископаемого топлива системами накопления энергии для электросети

Сети накопления энергии снижают нашу зависимость от устаревших пиковых электростанций, работающих на углеродосодержащем топливе, в периоды резкого роста спроса на электроэнергию. Традиционные газовые турбины требуют более десяти минут для выхода на полную мощность, тогда как системы аккумулирования энергии на основе аккумуляторов (BESS) достигают максимальной мощности менее чем за одну секунду, мгновенно компенсируя непредвиденное падение выработки солнечной или ветровой энергии. В качестве подтверждающего примера можно привести события в Калифорнии во время прошлогодней экстремальной жары: системы накопления энергии включились в течение нескольких минут, обеспечив дополнительную мощность объёмом около 2,4 гигаватт и предотвратив массовые отключения электроснабжения. При восстановлении работы после полного отключения эти системы накопления способны самостоятельно перезагружаться за счёт запасённой энергии, а затем постепенно вводить в работу критически важные участки электросети — такой подход уже продемонстрировал свою эффективность в ходе испытаний на небольших автономных сетях. По сравнению с резервными дизель-генераторами современные решения на основе накопителей обеспечивают бесперебойную работу систем в течение нескольких часов благодаря интеллектуальному управлению уровнем заряда. Всё это означает, что электросети восстанавливаются после сбоев значительно быстрее — примерно на 70 % быстрее — и ежегодно позволяют сократить выбросы парниковых газов примерно на 8,2 млн тонн в регионах, где доля возобновляемых источников энергии в общем энергобалансе является доминирующей.

Технологический ландшафт: соответствие решений для накопления энергии в электросети потребностям системы

Гидроаккумулирующие электростанции по сравнению с системами аккумуляторного хранения энергии: ёмкость, продолжительность работы и ограничения развертывания

Согласно докладу МЭА за 2023 год, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) составляют около 95 % всей мировой мощности систем хранения энергии. Такие системы способны хранить энергию от шести до двадцати часов и более, что делает их идеальными для перемещения больших объёмов электроэнергии в периоды повышенного спроса. Однако у них есть существенный недостаток: для их функционирования требуются определённые типы рельефа, а срок строительства обычно составляет от пяти до десяти лет. Альтернативой служат решения на основе аккумуляторных систем хранения энергии (АСЭ), например, литий-ионные БАЭС. Такие системы значительно проще в установке, поскольку поставляются в виде модулей, которые можно добавлять по мере необходимости. Кроме того, они реагируют практически мгновенно на сигналы электросети, что делает их особенно эффективными для поддержания стабильности частоты. Тем не менее, большинство литий-ионных аккумуляторов на уровне электросетей обеспечивают питание всего от одного до четырёх часов до необходимости подзарядки. Хотя аккумуляторные технологии решают проблему привязки к местоположению, характерную для ГАЭС, остаются другие сложности: ограниченный объём накопленной энергии на единицу объёма или массы устройства, а также постоянные вопросы, связанные с происхождением используемых сырьевых материалов. Все эти факторы создают значительные препятствия при масштабировании аккумуляторных систем хранения энергии на уровне целых регионов.

Варианты длительного хранения энергии: текучие аккумуляторы и «зелёный» водород для балансировки в течение нескольких часов

Когда речь заходит о балансировке энергопотребления в течение нескольких дней или даже сезонов, текучие аккумуляторы и «зелёный» водород действительно заполняют пробел, который остаётся незакрытым у других решений с точки зрения продолжительности хранения энергии. Например, ванадиевые редокс-текучие аккумуляторы способны обеспечивать питание в течение 8–12 часов и более без существенного износа в течение примерно двух десятилетий. Однако у них есть один недостаток: первоначальная стоимость таких систем довольно высока, что пока сдерживает их широкое внедрение. Другой вариант — «зелёный» водород, получаемый методом электролиза с использованием возобновляемых источников энергии; его можно хранить в течение месяцев в крупных подземных соляных кавернах. Некоторые пилотные проекты уже продемонстрировали ёмкость, превышающую 100 мегаватт-часов. Главное преимущество этих решений заключается в том, что они обеспечивают длительное хранение энергии, не сталкиваясь при этом с теми же дефицитами минеральных ресурсов, которые ограничивают производство литий-ионных аккумуляторов.

Стратегическое внедрение: политика, экономика и масштабируемость систем хранения энергии в электросети

Эффективное внедрение систем накопления энергии в электросети требует выработки продуманной политики, устойчивой экономической модели и технологий, способных масштабироваться. Регуляторные меры способствуют продвижению этих решений — например, посредством стандартов доли возобновляемых источников энергии в общем энергобалансе и налоговых льгот на инвестиции. Однако оптовые рынки по-прежнему испытывают трудности с адекватной оценкой вклада систем хранения как в торговлю энергией, так и в обеспечение резервного питания. Финансирование остаётся серьёзной проблемой: по последним данным, стоимость литий-ионных систем составляет около 350 долларов США за кВт·ч, поэтому компаниям приходится применять творческие подходы к финансированию проектов — объединяя различные источники дохода, чтобы обеспечить их экономическую целесообразность. Необходимо также укрепить цепочки поставок ключевых минералов и расширить производственные мощности по выпуску систем хранения энергии. По оценкам экспертов, к 2030 году в мире потребуется порядка 485 ГВт таких систем лишь для того, чтобы обеспечить долю ВИЭ в энергосистеме на уровне 65 %. Согласованность всех этих политик также имеет решающее значение. Стандарты подключения к сетям, местные правила зонирования и рыночные нормативы создают препятствия для прогресса, особенно при внедрении новых технологий хранения энергии, которым требуется реальное тестирование в условиях эксплуатации до достижения промышленного масштаба. Когда системы хранения энергии должным образом интегрируются в планирование развития сетей, это меняет подход коммунальных предприятий к расширению генерирующих мощностей: вместо простого добавления новых генераторов они начинают рассматривать весь спектр доступных ресурсов, стремясь одновременно выполнять климатические обязательства и не жертвовать надёжностью энергоснабжения.

Часто задаваемые вопросы

Почему накопление энергии в электросети важно для интеграции возобновляемых источников энергии?

Накопление энергии в электросети имеет решающее значение, поскольку оно устраняет несоответствия между предложением и спросом, вызванные прерывистым характером солнечной и ветровой энергии, обеспечивая стабильное энергоснабжение даже в часы пикового потребления.

С какими проблемами связано использование традиционных электростанций при интеграции возобновляемых источников энергии?

Традиционные электростанции на ископаемом топливе сталкиваются с проблемами медленного времени реакции и способствуют росту эксплуатационных затрат и выбросов. Использование их в качестве резервных источников может свести на нет потенциальную экономическую выгоду и экологические преимущества возобновляемых источников энергии.

Как передовые системы аккумуляторного накопления энергии поддерживают регулирование частоты в сети?

Передовые системы аккумуляторного накопления энергии, такие как литий-ионные BESS, способны реагировать на изменения частоты практически мгновенно, оперативно подавая или поглощая мощность для эффективного поддержания устойчивости электросети.

Какие типы решений для накопления энергии в электросети существуют?

Существует несколько решений для хранения энергии, таких как гидроаккумулирующие электростанции, литий-ионные аккумуляторы, текучие аккумуляторы и «зелёный» водород, каждый из которых отвечает различным потребностям — например, продолжительности хранения энергии, ограничениям при размещении и экономической эффективности.

Какую роль играет государственная политика в масштабировании систем хранения энергии для электросетей?

Государственная политика обеспечивает нормативно-правовые рамки, способствующие привлечению инвестиций и рыночному принятию решений в области хранения энергии; это имеет решающее значение для масштабирования таких решений и их эффективной интеграции в электросеть, гарантируя, что системы хранения энергии позволят достичь растущих целевых показателей по использованию возобновляемых источников энергии.