Решение проблемы непостоянства возобновляемых источников энергии с помощью систем хранения энергии в электросети

Основная задача: согласование переменной выработки энергии ветровыми и солнечными электростанциями с постоянным спросом

Проблема ветровой и солнечной энергетики заключается в том, что их работа сильно зависит от погодных условий и продолжительности светового дня, что приводит ко множеству нестабильностей в поставках. В то же время потребление электроэнергии людьми происходит в предсказуемые моменты в течение суток, поэтому всегда сохраняется необходимость в стабильной выработке мощности. Когда объём доступной возобновляемой энергии слишком высок, а спрос на неё недостаточен, операторы электросетей вынуждены отключать часть таких источников, фактически теряя чистую энергию, которую можно было бы использовать. С другой стороны, при резком росте спроса, когда возобновляемые источники не способны обеспечить достаточный объём выработки, приходится вновь задействовать старые угольные и газовые электростанции, чтобы поддерживать бесперебойную работу энергосистемы — что, разумеется, приводит к увеличению уровня загрязнения окружающей среды. Согласно недавнему исследованию Международного энергетического агентства, как только доля возобновляемых источников в общем объёме энергопроизводства региона превышает 30 %, проблемы начинают накапливаться стремительно — если только не предусмотрены эффективные решения для хранения или управления этой изменчивостью. Подобные несоответствия между предложением и спросом создают дополнительную нагрузку на наши электрические сети и в конечном счёте замедляют усилия по сокращению выбросов углерода в целом.

Как системы накопления энергии в сети компенсируют временные разрывы: зарядка при избытке энергии и разрядка при необходимости

Накопление энергии для электросетей решает проблему прерывистой выработки электроэнергии за счёт её умного перераспределения. Когда днём светит слишком яркое солнце или ночью дует сильный ветер, такие системы поглощают избыточную энергию и отдают её в моменты, когда потребность в ней наиболее высока. Например, избыток солнечной энергии, вырабатываемой в полдень, аккумулируется в батареях, которые затем включаются в вечерние часы пик, когда все включают освещение и бытовые приборы. Это, по сути, заменяет старые газовые электростанции, работающие только при резком скачке спроса. Ценность такой технологии заключается в том, что она превращает непредсказуемые возобновляемые источники энергии в надёжные и управляемые по мере необходимости, а также способствует поддержанию устойчивости электросети, в частности за счёт регулирования частоты. Большинство современных систем используют гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) для ежедневных нужд наряду с литий-ионными аккумуляторами. Для долгосрочного хранения энергии на сезонной основе перспективной представляется технология «зелёного водорода». Каков эффект? Исследования показывают, что правильно внедрённые решения по накоплению энергии могут повысить долю возобновляемой энергии, фактически используемой в регионах, где чистая энергия доминирует в общем энергобалансе, иногда достигая улучшения на 40 % без потери устойчивости всей системы.

Ключевые технологии хранения энергии в электросетях и их роль

Гидроаккумулирующие электростанции: устоявшаяся основа долгосрочного хранения энергии в электросетях

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), как их обычно называют, по-прежнему доминируют среди решений для накопления энергии в электросетях, составляя около 90 % всей установленной мощности в мире. Основная идея на удивление проста: при низком спросе на электроэнергию или избытке возобновляемой генерации воду перекачивают вверх в резервуары. Затем, когда спрос резко возрастает, накопленная вода возвращается вниз через турбины, вырабатывая электроэнергию. Привлекательность этого подхода обусловлена его масштабируемостью и способностью хранить энергию от шести до двадцати часов и более. Такая гибкость отлично подходит для сглаживания колебаний выработки электроэнергии солнечными и ветровыми электростанциями в течение дня и недели. Коэффициент полезного действия также значительно улучшился: современные системы обеспечивают КПД цикла «заряд–разряд» в диапазоне от 70 % до 85 %. Некоторые объекты достигают объёмов накопления в несколько гигаватт-часов. Хотя географические ограничения действительно создают трудности для повсеместного внедрения, нестандартные решения — например, переоборудование заброшенных шахт или модернизация существующих плотин, не имеющих генерирующих мощностей, — открывают новые возможности для расширения этой проверенной технологии.

Системы аккумуляторного накопления энергии (САНЭ) и зелёный водород: обеспечение краткосрочной гибкости и сезонного сдвига

Системы аккумуляторного накопления энергии (САНЭ) и зелёный водород решают взаимодополняющие задачи на уровне электросети:

• BESS (в первую очередь литий-ионные) обеспечивают реакцию менее чем за одну секунду для регулирования частоты и сглаживания солнечной генерации, с продолжительностью разряда 4–8 часов. Их модульность позволяет размещать их на подстанциях или совместно с объектами возобновляемой энергетики.
• Зеленый водород , получаемый методом электролиза с использованием избыточной электроэнергии от ВИЭ, обеспечивает долгосрочное хранение — в течение недель или месяцев — в соляных кавернах или резервуарах. Он используется в качестве углеродно-нейтрального топлива для турбин или топливных элементов в период сезонного спада выработки энергии ветровыми и солнечными электростанциями.

В совокупности они обеспечивают всестороннюю интеграцию: САНЭ управляют колебаниями в диапазоне от секунд до часов, а зелёный водород закрывает разрывы, обусловленные погодными условиями и временем года.

Накопление энергии в электросети как многофункциональный сетевой актив

Предоставление услуг в режиме реального времени: регулирование частоты, имитация инерции и поддержка напряжения

Системы накопления энергии играют жизненно важную роль в поддержании устойчивости электросети, обеспечивая функции, с которыми традиционная инфраструктура просто не в состоянии конкурировать. При резком падении частоты эти системы включаются практически мгновенно — либо возвращая электроэнергию в сеть, либо поглощая избыточную мощность во время всплесков, пока ситуация не вышла из-под контроля. Современные инверторы также стали значительно «умнее»: они имитируют инерцию, которая ранее обеспечивалась вращающимися генераторами на угольных и газовых электростанциях, постепенно исчезающих из нашей энергетической структуры. Накопители энергии также способствуют управлению напряжением в сети: они корректируют реактивную мощность в ключевых точках всей электросети, поддерживая напряжение в допустимых пределах даже при резких скачках нагрузки или отказе оборудования. Это особенно важно для сетей, насыщенных ветровой и солнечной генерацией, поскольку эти чистые источники энергии не обеспечивают ту автоматическую устойчивость, на которую мы полагались в прошлом благодаря тепловым электростанциям на ископаемом топливе.

Обеспечение участия на рынке: арбитраж, обеспечение мощности и вспомогательные услуги

Системы накопления энергии из электросети сегодня выполняют гораздо больше функций, чем просто технические задачи. На самом деле они открывают целый спектр различных возможностей для получения прибыли. Когда цена на электроэнергию падает ниже примерно 20 долларов за мегаватт-час, интеллектуальные операторы накапливают энергию, а затем продают её обратно в сеть, когда цены резко возрастают выше 100 долларов. Некоторые компании заключают контракты, известные как соглашения о гарантированной мощности (capacity firming agreements), которые по сути гарантируют стабильную выработку электроэнергии для ветроэлектростанций и солнечных электростанций. Такие соглашения позволяют системам накопления энергии выступать в роли резервного источника питания в периоды отсутствия солнечного света или ветра, помогая достигать жёстких целевых показателей доставки электроэнергии — например, 99 %, — которых большинству объектов возобновляемой энергетики достичь крайне сложно. Также существуют возможности получения дохода на рынках вспомогательных услуг (ancillary services markets). Объекты накопления энергии могут получать ежедневную выручку в размере от примерно 50 до 150 долларов за мегаватт лишь за то, что поддерживают устойчивость электросети, обеспечивая, в частности, регулирование частоты. Все эти различные источники дохода означают, что системы накопления энергии более не являются просто статьёй расходов. Напротив, они превращаются в ценное активное средство, которое фактически повышает экономическую эффективность всей энергосистемы.

Реальное воздействие: примеры успешного применения систем накопления энергии в электросетях

Энергохранилище Хорнсдейл: обеспечение стабильности и экономии на энергосистеме Южной Австралии с высокой долей возобновляемых источников энергии

Аккумуляторная электростанция Hornsdale Power Reserve выделяется как первая в мире крупномасштабная установка литий-ионных аккумуляторов, демонстрирующая реальные возможности систем хранения энергии для электросетей, сильно зависящих от возобновляемых источников. Расположенная прямо в центре ветроэнергетической сети Южной Австралии, где «зелёная» энергия зачастую составляет более половины всей вырабатываемой электроэнергии, эта система реагирует практически мгновенно на колебания баланса между спросом и предложением. Время реакции составляет менее 100 миллисекунд, что позволяет предотвращать потенциальные отключения при резком дисбалансе между объёмами выработки и потребления. Когда в сеть поступает избыточная ветроэнергия, установка аккумулирует её, а затем возвращает в сеть в часы пикового потребления — преимущественно во второй половине дня. Только этот эффект позволил сэкономить около 116 млн долларов США на расходах на электроэнергию уже в первые годы эксплуатации. Во время сильных штормов или жары резервная система обеспечивает аварийное энергоснабжение, значительно повышая устойчивость всей электросети к перебоям. То, что произошло «внизу мира», вдохновило создание аналогичных проектов на разных континентах, включая Калифорнию и Германию. Эти установки доказывают, что даже при значительной доле солнечной и ветровой энергии в нашей электросети мы способны обеспечивать стабильное энергоснабжение, одновременно снижая затраты и уменьшая негативное воздействие на окружающую среду.

Часто задаваемые вопросы

Что такое непостоянство возобновляемых источников энергии?

Непостоянство возобновляемых источников энергии означает колебания выработки электроэнергии из таких источников, как ветер и солнце, обусловленные такими факторами, как погодные условия и время суток, что может приводить к нестабильности энергоснабжения.

Как системы накопления энергии в электросети помогают управлять изменчивостью возобновляемой энергии?

Системы накопления энергии в электросети помогают управлять изменчивостью возобновляемой энергии, аккумулируя избыточную энергию в периоды высокой выработки и отдавая её в периоды, когда спрос превышает предложение, обеспечивая таким образом более стабильную работу энергосети.

Какие основные типы технологий накопления энергии в электросети упоминаются в статье?

В статье упоминаются такие технологии, как гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), системы аккумуляторного накопления энергии (САНЭ) и «зелёный» водород как ключевые решения для удовлетворения потребностей в накоплении энергии в электросети.

Как проект Hornsdale Power Reserve способствует стабильности электросети?

Энергохранилище Хорнсдейл способствует стабильности электросети, оперативно реагируя на колебания спроса и предложения, аккумулируя избыточную энергию от возобновляемых источников и обеспечивая аварийное электропитание в критические моменты.