Проблема непостійності виробництва енергії: чому зберігання енергії в електромережі є обов’язковим для інтеграції відновлюваних джерел енергії

Як змінність сонячної та вітрової енергії призводить до розладу узгодження часу між пропозицією та попитом

Проблема сонячної та вітрової енергії полягає в тому, що вони з’являються й зникають разом із погодою, що створює різноманітні труднощі у відповідності між потребами споживачів та обсягом виробленої електроенергії. Наприклад, сонячна енергія досягає піку близько полудня, але саме в цей час більшість людей споживає дуже мало електроенергії. Потім настає ніч, коли всі вмикають світло й побутові прилади, але сонце вже повністю зайшло за горизонт. Вітрова енергія також не є надійнішою: іноді вітер дме потужно, а через кілька годин — зовсім стихає, оскільки над територією проходять шторми. Через таку непередбачуваність оператори енергосистеми змушені тримати в робочому стані старі вугільні та газові електростанції на випадок, якщо «зелена» енергія буде недостатньою, що вимагає додаткових витрат і є нераціональним у довгостроковій перспективі. Справжньою проблемою є забезпечення достатнього обсягу відновлюваної енергії в мережі саме в той момент, коли попит різко зростає у вечірні години, особливо враховуючи, що щороку на дахах все більше й більше встановлюють сонячних панелей. Якщо ми не знайдемо способів усунути цей часовий розрив між моментом виробництва чистої енергії та моментом, коли вона нам справді потрібна, вся наша електрична система може стати нестабільною, а ми, можливо, будемо марнувати цілком придатну відновлювану енергію просто тому, що немає де її зберегти або використати.

Емпіричні точки стресу в електричній мережі: кейси ERCOT та CAISO при рівні проникнення відновлюваних джерел енергії понад 30 %

Аналіз реальних даних від провідних електромереж США показує, що серйозне навантаження виникає, коли частка змінних відновлюваних джерел енергії досягає приблизно 30 % загального обсягу виробництва електроенергії. Візьмемо, наприклад, Каліфорнію. Виробництво електроенергії сонячними електростанціями часто знижується на 80 % між 16:00 та 20:00, коли люди повертаються додому й увімкнюють світло, побутові прилади тощо, тоді як попит на електроенергію зростає приблизно на 40 %. Це створює величезну «провалену» зону потужністю 15 гігават, яку оператори мають швидко заповнити за рахунок газових електростанцій. Під час минулорічної надзвичайно спекотної хвилі ця так звана «утинна крива» майже призвела до чергових відключень електроенергії, незважаючи на обилі сонячного світла протягом дня. І не лише Каліфорнія страждала від цієї проблеми. У Техасі в 2023 році спостерігалася подібна ситуація, коли вітер повністю затих під час годин пікового навантаження. У результаті цього ціни на електроенергію в штаті стрімко зросли до 740 000 доларів США за мегават-годину, оскільки вітрові турбіни в той момент виробляли лише 8 % своєї потенційної потужності. Ці реальні приклади чітко демонструють, чому наявність достатнього обсягу енергоємності стає абсолютно необхідною у разі значної залежності від відновлюваних джерел енергії. Без належних резервних систем існує ризик як відключень електроенергії, так і різких коливань цін саме в той час, коли їх найменше можна собі дозволити.

Основні сіткові послуги, що забезпечуються системами зберігання енергії в електромережі

Регулювання частоти та підтримка інерції: реакція менше ніж за одну секунду від літій-іонних систем зберігання енергії

Сучасні електричні мережі потребують майже миттєвих коригувань лише для підтримки роботи на правильній частоті — близько 50 або 60 Гц залежно від регіону. Системи зберігання енергії на основі літій-іонних акумуляторів реагують на ці коливання попиту та пропозиції протягом менше ніж однієї секунди, що значно перевершує можливості традиційних теплових електростанцій будь-якого типу. Якщо частота в мережі занадто знижується, такі акумулятори можуть повернути електроенергію в систему всього за півсекунди. А коли надходить надмірна кількість енергії, вони навпаки її поглинають. Така швидка реакція допомагає згладжувати всі «піки» та «провали» виробництва енергії вітровими та сонячними джерелами й забезпечує приблизно 90 % точності у підтримці балансу. Це набагато краще, ніж стандартні 30–40 %, які забезпечують традиційні обладнання. Що робить цю технологію ще цікавішою? Сучасні інвертори тепер імітують так звану обертальну інерцію, яка раніше була виключною прерогативою великих обертових генераторів. Вони досягають цього, постійно спостерігаючи за змінами кутів напруги в електромережі та оперативно коригуючи потік потужності в режимі реального часу — майже як рефлекторна реакція.

Підтримка наростання навантаження та здатність до запуску з «нуля» — заміна пікових електростанцій, що працюють на викопному паливі, системами сховища енергії в електромережі

Системи сховища енергії зменшують нашу залежність від традиційних «пікових» електростанцій, що використовують вуглецеве паливо, у періоди різкого зростання попиту на електроенергію. Традиційні газові турбіни потребують більше десяти хвилин, щоб досягти повної потужності, тоді як акумуляторні системи сховища енергії (BESS) можуть досягти максимальної потужності менш ніж за одну секунду — миттєво реагуючи на неочікуване зниження виробництва електроенергії сонячними чи вітровими електростанціями. Як приклад можна навести події в Каліфорнії під час минулорічної жорстокої спекотної хвилі: системи сховища енергії забезпечили додаткову потужність обсягом близько 2,4 гігават, що запобігло масовим відключенням електроенергії всього за кілька хвилин. Щодо відновлення роботи після повного вимкнення — ці системи сховища можуть самостійно «перезавантажуватися», використовуючи запаси енергії, і поступово виводити в роботу ключові елементи енергомережі; такий підхід уже доведено ефективним у тестах на невеликих за масштабом енергомережах. Порівняно з резервними дизельними генераторами сучасні системи сховища забезпечують безперебійну роботу систем протягом кількох годин завдяки розумному контролю рівня заряду. Усе це означає, що енергомережі відновлюються після порушень набагато швидше — приблизно на 70 % швидше, — і щорічно скорочують викиди парникових газів приблизно на 8,2 млн тонн у регіонах, де домінують відновлювані джерела енергії.

Технологічний ландшафт: відповідність рішень для зберігання енергії в сітці потребам системи

Гідроакумулюючі електростанції порівняно з акумуляторними системами зберігання енергії: потужність, тривалість роботи та обмеження щодо розгортання

Згідно зі звітом Міжнародного енергетичного агентства (IEA) за 2023 рік, гідроакумулюючі електростанції з насосними системами становлять близько 95 % усіх потужностей зберігання енергії у світі. Такі системи можуть зберігати енергію від шести до двадцяти годин і більше, що робить їх чудовим рішенням для переміщення великих обсягів електроенергії за потреби. Але є й недолік: для їх ефективної роботи потрібні певні типи рельєфу, а на будівництво таких станцій, як правило, потрібно від п’яти до десяти років. Інша справа — рішення на основі акумуляторних систем, наприклад, літій-іонних BESS. Такі системи набагато простіше встановлювати, оскільки вони поставляються у вигляді модулів, які можна додавати за потреби. Крім того, вони реагують майже миттєво на сигнали електромережі, що й робить їх надзвичайно ефективними для підтримки стабільності частоти. Проте більшість літій-іонних акумуляторів на рівні електромережі працюють лише від однієї до чотирьох годин до необхідності підзарядки. Хоча акумуляторні технології обходять проблеми, пов’язані з географічним розташуванням, які характерні для насосних гідроакумулюючих станцій, залишається питання обмеженого обсягу зберігання енергії на одиницю об’єму, а також тривалі побоювання щодо походження всіх цих сировинних матеріалів. Ці фактори безумовно створюють перешкоди при масштабуванні акумуляторних систем зберігання енергії на рівні цілих регіонів.

Варіанти тривалого зберігання: проточні акумулятори та зелений водень для балансування енергії протягом кількох годин

Коли йдеться про балансування енергетичних потреб протягом кількох днів чи навіть сезонів, проточні акумулятори та зелений водень справді заповнюють прогалини, які залишаються там, де інші рішення виявляються недостатньо ефективними щодо тривалості зберігання. Наприклад, ванадієві редокс-проточні акумулятори можуть працювати від 8 до 12 годин і більше без значного зносу протягом двох десятиліть. Проблема полягає в тому, що їх початкова вартість досить висока, що наразі стримує їх широке впровадження. Щодо зеленого водню — його отримують шляхом електролізу за допомогою електроенергії, виробленої з відновлюваних джерел, і можна зберігати місяцями у великих підземних соляних порожнинах. Деякі пілотні проекти вже продемонстрували потужності понад 100 мегават-годин. Ці рішення вирізняються тим, що вони задовольняють потреби у тривалому зберіганні енергії, не стикаючись з тими самими дефіцитами мінералів, які ускладнюють виробництво літій-іонних акумуляторів.

Стратегічне впровадження: політика, економіка та масштабованість систем зберігання енергії в електромережі

Ефективне впровадження систем зберігання енергії в електромережі вимагає наявності чітких політик, стабільної економічної моделі та технологій, які можна масштабувати. Регуляторні заходи сприяють розвитку галузі завдяки таким інструментам, як стандарти щодо частки відновлюваних джерел енергії в загальному енергобалансі та податкові кредити на інвестиції. Однак оптові ринки досі не можуть адекватно оцінити потенціал систем зберігання енергії як у контексті торгівлі електроенергією, так і надання резервних послуг. Фінансування також залишається серйозною перешкодою. Згідно з останніми даними, вартість літій-іонних систем становить близько 350 дол. США за кВт·год, тому компаніям потрібні інноваційні підходи до фінансування проектів — наприклад, поєднання різних джерел доходу, щоб забезпечити їхню економічну доцільність. Крім того, необхідно вдосконалити ланцюги поставок ключових мінералів та розширити виробництво акумуляторних систем. Експерти оцінюють, що до 2030 року у світі буде потрібно приблизно 485 ГВт потужності систем зберігання енергії лише для забезпечення частки ВДЕ в енергосистемі на рівні 65 %. Також важливо узгодити всі ці політики. Стандарти підключення до мережі, місцеві правила зонування та ринкові норми створюють перешкоди для розвитку, особливо коли йдеться про новіші технології зберігання енергії, які потребують практичного тестування в реальних умовах перед тим, як їх можна буде масштабувати. Коли системи зберігання енергії правильно інтегруються в процес планування роботи електромережі, це змінює підхід комунальних підприємств до розширення потужностей. Замість того щоб просто вводити в експлуатацію нові генератори, вони починають враховувати повну сукупність доступних ресурсів, намагаючись досягти кліматичних цілей без ушкодження надійності електропостачання.

Часті запитання

Чому зберігання енергії в електромережі є важливим для інтеграції відновлюваних джерел енергії?

Зберігання енергії в електромережі є критично важливим, оскільки воно усуває розбіжності між пропозицією та попитом, спричинені переривчастим характером сонячної та вітрової енергії, забезпечуючи стабільне електропостачання навіть у години пікового навантаження.

Які виклики пов’язані з використанням традиційних електростанцій у поєднанні з відновлюваними джерелами енергії?

Традиційні електростанції, що працюють на викопному паливі, мають проблеми з часом реакції й спричиняють вищі експлуатаційні витрати та викиди. Використання їх як резервних джерел може обмежувати потенційну економію та екологічні переваги відновлюваних джерел енергії.

Як сучасні системи акумуляторного зберігання енергії підтримують регулювання частоти в електромережі?

Сучасні системи акумуляторного зберігання енергії, такі як літій-іонні системи зберігання енергії (BESS), можуть реагувати на зміни частоти практично миттєво, забезпечуючи швидке введення або поглинання потужності для ефективного підтримання стабільності електромережі.

Які типи рішень для зберігання енергії в електромережі існують?

Існує кілька рішень для зберігання енергії, зокрема гідроакумулювання, літій-іонні акумулятори, редокс-потокові акумулятори та «зелений» водень, кожне з яких задовольняє різні потреби, такі як тривалість зберігання енергії, обмеження щодо встановлення та ефективність у плані вартості.

Яку роль відіграє політика у масштабуванні систем зберігання енергії в електричних мережах?

Політика забезпечує регуляторні рамки, що сприяють інвестуванню та прийняттю ринком рішень у сфері зберігання енергії, що є необхідним для масштабування таких рішень та їх ефективної інтеграції в електричні мережі, забезпечуючи відповідність цілей у сфері зберігання енергії зростаючим цілям у сфері відновлюваних джерел енергії.