Підвищення надійності та стійкості електромережі за допомогою рішень для зберігання енергії

Як рішення для зберігання енергії в мережі підвищують надійність та стійкість електромережі

Системи зберігання енергії працюють подібно до амортизаторів у сучасних електромережах, майже миттєво реагуючи на падіння напруги або несправність обладнання. Ці системи підтримують частоту досить близькою до стандартної позначки 60 або 50 Гц, зазвичай у межах пів-герца в обидві сторони. Це має значення, бо без такого контролю ми вже стикалися з серйозними проблемами, коли невеликі неполадки переростали в масові відключення електроенергії, що впливали на кілька штатів водночас. Цінність цих систем зберігання полягає в їхній здатності повертати електроенергію в мережу за частки секунди, що суттєво допомагає стабілізувати всю систему. У періоди, коли в мережі виникають неполадки, ця здатність до швидкої реакції стає абсолютно життєво необхідною для безперебійної роботи лікарень, служб екстреної допомоги та інших критичних об'єктів.

Інтеграція систем зберігання енергії з відновлюваними джерелами енергії для стабільного постачання

Зберігання енергії дуже добре працює в поєднанні з сонячними панелями та вітровими турбінами, оскільки відновлювані джерела енергії протягом дня досить сильно коливаються — приблизно 70% часу. Енергокомпанії можуть продовжувати постачати електрику, не вдаючись до резервних джерел на кшталт вугільних або газових електростанцій, що особливо важливо вночі, коли заходить сонце, або коли кілька днів поспіль немає вітру. Збережена енергія заповнює ці прогалини, коли виробництво спадає, тому люди все ще отримують надійну електроенергію від своїх розеток. Це дозволяє загалом збільшити частку чистої енергії в нашій енергомережі — саме цього вже багато років домагаються екологічні організації.

Послуги зберігання енергії, такі як скорочення пікового навантаження та балансування навантаження, пояснення

• Скорочення пікового навантаження: Накопичувач віддає енергію під час щоденних піків споживання (наприклад, з 17:00 до 20:00), зменшуючи навантаження на лінії передачі та відкладаючи потребу у дорогих інфраструктурних оновленнях
• Балансування навантаження: Акумулятори перерозподіляють надлишкову енергію зі зон із надлишком у райони, що відчувають дефіцит, оптимізуючи використання мережі та мінімізуючи її перевантаження

Ці послуги підвищують ефективність та зменшують знос застарілої інфраструктури, сприяючи довгостроковій надійності системи.

Аналітика даних: накопичувачі енергії скорочують тривалість відключень на 40% (Міністерство енергетики США, 2023)

Згідно зі звітом Міністерства енергетики США за 2023 рік щодо стійкості енергосистем, регіони з мінімум 500 МВт потужності накопичення відновлювали електропостачання на 2,3 години швидше під час штормів, ніж мережі без накопичення. Це покращення відновлення після відключень на 40% пояснюється здатністю накопичувачів:

1. Підтримувати роботу критично важливих об'єктів — лікарень, центрів обробки даних, станцій очищення води — під час аварій у передаванні енергії
2. Забезпечувати швидший перезапуск мережі «з нуля» (black start) за рахунок використання накопичених резервів, прискорюючи повне відновлення

Ця можливість набуває все більшого значення внаслідок посилення екстремальних погодних явищ, які піддають випробуванню стійкість енергомереж.

Ключові технології накопичення енергії, що забезпечують сучасні мережеві застосування

Огляд технологій накопичення енергії та їх класифікація за тривалістю та функціями

Сучасні рішення для зберігання енергії в мережі використовують низку технологій, кожна з яких підходить для певних тривалостей і функцій:

Тип технології	Тривалість	Головні застосування
Літій-іонні батареї	Короткострокові та середньострокові	Регулювання частоти, підтримка пікових навантажень
Поточні акумулятори	Середньострокові та довгострокові	Зсув навантаження, інтеграція відновлюваних джерел енергії
Гідроакумуляційне зберігання енергії	Довгостроковий	Масове зберігання енергії, сезонне балансування
Термальне зберігання	Короткострокові та довгострокові	Управління промисловим теплом, системи когенерації (CHP)

Як показує дослідження стійких енергетичних систем, така класифікація допомагає комунальним підприємствам узгоджувати вибір технологій із експлуатаційними потребами: системи короткотривалої дії, такі як суперконденсатори, вирівнюють миттєві дисбаланси, тоді як потокові акумулятори керують багатогодинними коливаннями виробництва відновлюваної енергії.

Літій-іонні та акумуляторні батареї: ефективність у рішень для зберігання енергії в мережі

Літій-іонні акумулятори є фактично стандартним вибором для короткострокових потреб зберігання, адже вони мають високий коефіцієнт корисної дії від 90% до 95%, а також час відгуку менше 100 мілісекунд. Проте, коли мова йде про довготривалі рішення, на перший план виходять редокс-акумулятори. Термін їхньої служби становить від 20 до 30 років порівняно з типовим терміном служби літієвих акумуляторів, що становить приблизно 10–15 років. Крім того, технологія редокс-акумуляторів легко масштабується для забезпечення циклів розряду тривалістю від 4 до 12 годин, необхідних для спільної роботи з відновлюваними джерелами енергії, такими як сонячні панелі або вітрові турбіни, протягом кількох днів. Те, що їхні електроліти не зношуються з часом, насправді допомагає знизити загальні витрати на технічне обслуговування, хоча їхня енергоємність на одиницю об’єму менша, ніж у літієвих аналогів.

Перспективні технології: твердотільні та гравітаційні системи зберігання

Твердотільні акумулятори можуть зберігати вдвічі більше енергії, ніж звичайні літій-іонні елементи, і при цьому мають значно менший ризик займання. Це означає, що їх можна безпечно встановлювати в менших приміщеннях поруч із міськими районами, не турбуючись про вибухи. Існують також рішення для зберігання енергії на основі гравітації, наприклад великі механічні вежі від Energy Vault. Вони практично піднімають важкі композитні блоки, коли є надлишок електроенергії, і опускають їх униз, коли енергія потрібна, таким чином зберігаючи енергію протягом багатьох років. Система втрачає лише близько 15% збереженої енергії, що є досить добре, враховуючи термін служби цих пристроїв. Усі ці нові технології відкривають можливості в місцях, де традиційні акумуляторні технології працюють погано через проблеми з безпекою або обмеженість матеріалів.

Аналіз тенденцій: Глобальний перехід до довготривалих систем зберігання енергії (LDES) до 2030 року

Прогнози ринку передбачають, що сектор тривалого зберігання енергії (LDES) може досягти обсягу приблизно 120 мільярдів доларів до кінця цього десятиліття. Основний поштовх надходить із боку зростаючого попиту на системи, здатні віддавати енергію безперервно протягом більше ніж десяти годин, що є важливим для скорочення викидів вуглецю по всіх енергомережах. Майже половина всіх нових установок відновлюваної енергії тепер передбачає якусь форму тривалого зберігання енергії, що стало можливим завдяки зниженню цін на технології, такі як залізо-повітряні акумулятори та системи зберігання стисненого повітря. Те, що ми бачимо зараз, виходить за межі просто підтримки електроживлення під час короткочасних перебоїв. Натомість, компанії починають планувати на кілька днів, навіть на кілька місяців наперед, розробляючи стратегії експлуатації систем зберігання енергії, які мають справитися з усіма викликами — від тривалих спекотних хвиль до сезонних коливань попиту та пропозиції.

Інтеграція в мережу та експлуатаційні характеристики систем зберігання енергії

Впровадження систем зберігання енергії (ESS) у сучасні електромережі — це не проста справа. Існує чимало технічних перешкод, які потрібно подолати, щоб досягти максимально можливої продуктивності цих систем. Серйозні труднощі виникають через неприємні стрибки напруги, що виникають під час швидкого заряджання та розряджання акумуляторів. А ще існує повна плутанина з забезпеченням двонаправленого потоку енергії в гібридних установках на поновлюваних джерелах енергії. Згідно з дослідженням, опублікованим минулого року в журналі Journal of Power Sources, існують дві головні проблеми, з якими стикаються всі, хто хоче встановити великі батарейні блоки в старій інфраструктурі мережі. Перша — це підтримка стабільності частоти, що ускладнюється через постійне підключення та відключення акумуляторів. Друга — це управління нагріванням у таких масштабних установках, що стає все складнішим із зростанням розмірів батарейних масивів з часом.

Технічні виклики інтеграції систем зберігання енергії в електромережу

Старі схеми електромереж мають реальні труднощі з підтриманням швидкості реакції, властивої літій-іонним акумуляторам та системам потужних батарей. Отримання таких надшвидких часів відгуку в поєднанні зі стандартним обладнанням для контролю напруги зазвичай вимагає проведення масштабних робіт на підстанціях. За даними деяких звітів, кожна з чотирьох компаній з передачі енергії в Північній Америці стикається з проблемами несумісності інверторів під час спроб модернізації старих підстанцій для систем зберігання енергії. Це пояснює, чому так відчутно зростає потреба у кращих стандартизованих правилах підключення цих нових технологій до мережі.

Розумні інвертори та передові системи керування забезпечують безперебійне інтегрування відновлюваних джерел енергії

Розумні інвертори нового покоління допомагають підтримувати стабільність електромережі, оскільки дозволяють системам накопичення енергії регулювати свою реактивну потужність під час раптового зростання виробництва сонячної енергії або зниження доступності вітрової енергії. Коли ці пристрої працюють разом із системами керування на основі штучного інтелекту, які передбачають майбутні зміни, випробування показали приблизно 18-відсоткове зниження втрат відновлюваної енергії в регіоні Середнього Заходу минулого року. Візьмемо як приклад систему CAISO в Каліфорнії. Там були реалізовані досить ефективні методи, що ґрунтуються на вимірах у реальному часі, для координації роботи акумуляторних систем та сонячних панелей загальною потужністю 3,2 гігават. Це допомагає усій системі працювати стабільно, незважаючи на постійні зміни обсягів електроенергії від відновлюваних джерел та коливання у споживчих режимах протягом дня.

Дослідження випадку: Розгортання акумуляторних систем великої потужності в Каліфорнії для підтримки надлишків сонячної енергії

У травні 2024 року, коли виробництво електроенергії з сонячних електростанцій досягло рекордних показників, угруповання акумуляторів фосфату заліза-літію на 4 години в Каліфорнії змогло зберегти приблизно 1,7 гігават-годин зайвої електроенергії, виробленої вдень. Цього достатньо для забезпечення приблизно 125 тисяч домогосподарств. Енергія, що зберігалася таким чином, компенсувала майже 89 відсотків значного піку попиту на електроенергію ввечері. Це демонструє, що коли системи зберігання енергії (ESS) розташовані там, де вони дійсно потрібні, вони перетворюють зайву електроенергію, яка інакше була б втрачена, на корисний та надійний ресурс. Це скорочує втрати енергії та зменшує залежність від дорогих електростанцій, що працюють на природному газі, які вмикаються в години пікового навантаження. Такий підхід вигідний як для бюджету, так і для навколишнього середовища.

Економічні та екологічні переваги рішень для зберігання енергії в мережі

Зменшення обмеження виробництва енергії шляхом інтеграції систем зберігання енергії з відновлюваними джерелами енергії

Зберігання енергії зменшує втрати від поновлюваних джерел, акумулюючи надлишкову електроенергію від сонячних та вітрових установок у періоди низького попиту. У 2023 році Каліфорнія скоротила обмеження виробництва на 34% завдяки цільовому розгортанню акумуляторних систем. Віддача цієї накопиченої енергії в години пікового навантаження максимізує використання поновлюваних джерел і зменшує залежність від пікових електростанцій на викопному паливі, покращуючи сталість мережі та її економічну ефективність.

Покращення рівневої вартості зберігання (LCOS), що стимулює прийняття зеленої енергії

Покращення технологій акумуляторів разом зі збільшенням обсягів виробництва знизили усереднену вартість зберігання енергії (LCOS) для систем на основі літій-іонних акумуляторів приблизно на 52% з 2018 року. Енергетичні компанії все частіше використовують рішення зберігання енергії не лише для підтримки стабільності енергомережі, але й для забезпечення надійного електропостачання у разі потреби, часто за вартістю, яка може бути нижчою, ніж у разі використання електростанцій на природному газі. Останній звіт MIT за 2023 рік передбачає подальше поліпшення ситуації, зазначаючи, що LCOS для систем тривалістю чотири години може впасти нижче 50 доларів США на мегават-годину до кінця цього десятиліття. Такий прогрес безумовно прискорює перехід до більш чистих енергетичних мереж, які зможуть впоратися з будь-якими викликами.

Екологічний вплив: Як зберігання енергії сприяє досягненню цілей декарбонізації

Системи накопичення енергії в мережі сприяють інтеграції більшої кількості відновлюваних джерел у наші енергетичні системи, щороку скорочуючи приблизно від 12 до 18 мільйонів тонн викидів вуглекислого газу лише в межах Сполучених Штатів. Ця технологія зменшує залежність від газових турбін, що використовують метан, особливо під час навантаження на електромережу. Поєднавши цю можливість зберігання з гібридними об'єктами на відновлюваних джерелах, ми робимо реальний крок до досягнення амбітного скорочення викидів у сфері виробництва електроенергії на 72%, що, за прогнозами багатьох кліматичних моделей, необхідно для виконання положень Парижської угоди. Таким чином, ці рішення щодо зберігання виступають фундаментальними компонентами будь-яких серйозних зусиль із зменшення парникових газів у світі при одночасному забезпеченні надійного електропостачання.

ЧаП

Яка роль систем накопичення енергії у надійності електромережі?

Системи накопичення енергії працюють як амортизатори, швидко реагуючи на падіння напруги або несправності обладнання, стабілізуючи роботу мережі та забезпечуючи безперебійне живлення критично важливих служб.

Як системи зберігання енергії інтегруються з відновлюваними джерелами енергії?

Системи зберігання енергії збирають надлишкову потужність, що виробляється відновлюваними джерелами, зменшуючи коливання та забезпечуючи стабільне електропостачання навіть у разі зменшення виробництва енергії з відновлюваних джерел.

Які типи послуг надають рішення зберігання енергії в електромережі?

Ці рішення пропонують скорочення пікових навантажень шляхом вивільнення енергії в умовах високого попиту та балансування навантаження за рахунок перерозподілу надлишкової енергії з перенасичених зон у зони дефіциту.

Які економічні вигоди від рішень зберігання енергії?

Рішення зберігання енергії зменшують рівень витрат на зберігання енергії (LCOS), скорочують залежність від електростанцій, що працюють на викопному паливі, і зменшують втрати відновлювальної енергії, що призводить до ефективних у відношенні витрат та стійких електромереж.