Вирішення непостійності відновлюваних джерел за допомогою систем зберігання енергії в електромережі

Основна проблема: узгодження змінного виробництва енергії вітровими та сонячними електростанціями з постійним попитом

Проблема вітрової та сонячної енергетики полягає в тому, що вона значною мірою залежить від погодних умов та тривалості світлового дня, що призводить до різноманітних непорівностей у постачанні. Тим часом люди споживають електроенергію в передбачувані години протягом доби, тож завжди існує потреба в стабільному виробництві електроенергії. Коли в наявності є надто багато енергії від відновлюваних джерел, а попиту недостатньо, оператори енергосистеми змушені вимикати деякі з цих джерел, фактично «викидаючи» чисту енергію, яку можна було б використати. З іншого боку, щоразу, коли попит різко зростає, а відновлювані джерела не забезпечують достатнього виробництва енергії, ми змушені знову звертатися до старих вугільних та газових електростанцій, щоб забезпечити безперебійне функціонування системи, що, зрозуміло, призводить до зростання рівня забруднення. Згідно з останніми дослідженнями Міжнародного енергетичного агентства, як тільки частка відновлюваних джерел у загальному обсязі виробництва енергії в регіоні перевищує 30 %, проблеми починають швидко нагромаджуватися, якщо не існує ефективних способів зберігання або управління цією змінністю. Такі розбіжності між пропозицією та попитом створюють додаткове навантаження на наші електричні системи й, в кінцевому підсумку, уповільнюють загальні зусилля щодо зменшення викидів вуглекислого газу.

Як сіткові системи зберігання енергії компенсують часові розриви — заряджаються під час надлишку енергії та розряджаються за потреби

Зберігання енергії для електромереж вирішує проблему переривчастого виробництва електроенергії шляхом розумного перерозподілу електрики. Коли вдень надто багато сонячного світла або вночі дуже сильний вітер, ці системи поглинають надлишкову енергію й віддають її в той час, коли люди найбільше її потребують. Наприклад, у разі сонячної енергії, яку виробляють опівдні, надлишок зберігається в акумуляторах, які потім активуються ввечері під час годин пік, коли всі вмикають освітлення й побутові прилади. Це, по суті, замінює старі газові електростанції, що працюють лише під час раптового стрибка попиту. Така система особливо цінна, оскільки перетворює непередбачувані відновлювані джерела енергії на надійні та керовані за потребою джерела, а також сприяє підтримці стабільності електромережі, зокрема за допомогою регулювання частоти. Більшість сучасних систем покладаються на гідроакумулюючі електростанції з насосними установками для задоволення щоденних потреб разом із літій-іонними акумуляторами. Для тривалого зберігання енергії протягом сезонів перспективним є зелений водень. Який вплив це має? Дослідження свідчать, що належним чином реалізовані рішення щодо зберігання енергії можуть значно збільшити частку використаної відновлюваної енергії в районах, де чиста електроенергія домінує в загальному енергоміксі, іноді досягаючи покращення приблизно на 40 % без порушення загальної стабільності системи.

Ключові технології акумулювання енергії в електромережі та їхні ролі

Гідроакумулювальні електростанції з насосним підйомом води: перевірена основа тривалого акумулювання енергії в електромережі

Гідроакумулювальні електростанції (ГАЕ), як їх зазвичай називають, досі залишаються лідером серед рішень для накопичення енергії в електромережах, забезпечуючи близько 90 % всієї встановленої потужності у світі. Основна ідея насправді досить проста: під час низького попиту на електроенергію або при надлишку відновлюваної енергії воду перекачують угору до водосховищ. Пізніше, коли попит різко зростає, ця накопичена вода повертається назад через турбіни, щоб знову виробляти електроенергію. Цей підхід є особливо привабливим завдяки своїй масштабованості та здатності зберігати енергію протягом шести–двадцяти годин і більше. Така гнучкість чудово підходить для згладжування коливань у виробництві електроенергії з сонячних та вітрових електростанцій протягом доби й тижня. Коефіцієнти ефективності також значно покращилися: сучасні системи досягають коефіцієнта ефективності «туди-назад» у межах від 70 % до 85 %. Деякі установки навіть мають потужність у кілька гігават-годин. Хоча географічні обмеження й створюють труднощі для масового розгортання ГАЕ, креативні підходи — наприклад, перетворення старих шахтних об’єктів або повторне використання існуючих гребель, які раніше не використовувалися для виробництва електроенергії, — відкривають нові можливості для поширення цієї перевіреної технології.

Системи акумулювання енергії в акумуляторах (BESS) та зелений водень: забезпечення короткострокової гнучкості та сезонного перенесення енергії

Системи акумулювання енергії в акумуляторах (BESS) та зелений водень задовольняють взаємодоповнюючі потреби електричної мережі масштабу системи:

• BESS (переважно літій-іонні) забезпечують реакцію за частки секунди для регулювання частоти та згладжування сонячної генерації, з тривалістю розряду 4–8 годин. Їх модульність дозволяє розгортати їх на підстанціях або разом із відновлюваними джерелами енергії.
• Зелений водень зелений водень, отриманий за допомогою електролізу з використанням надлишкової енергії від відновлюваних джерел, дозволяє довготривале зберігання — протягом тижнів або місяців — у соляних кавернах або резервуарах. Він виступає вуглецево-нейтральним паливом для турбін або паливних елементів під час сезонних спадів виробництва енергії вітровими та сонячними електростанціями.

У поєднанні вони забезпечують комплексну інтеграцію: BESS керують коливаннями від секунд до годин, а зелений водень вирішує розриви, пов’язані з погодними умовами та сезонністю.

Системи зберігання енергії в мережі як багатофункціональний актив електромережі

Надання послуг у реальному часі: регулювання частоти, емуляція інерції та підтримка напруги

Системи зберігання енергії відіграють ключову роль у підтримці стабільності електромережі способами, які застаріла інфраструктура просто не в змозі забезпечити. У разі раптового падіння частоти ці системи включаються практично миттєво — або повертаючи електроенергію в мережу, або поглинаючи надлишкову електрику під час стрибків навантаження, перш ніж ситуація вийде з-під контролю. Сучасні інвертори також значно «розумнішали»: вони імітують інерцію, яку раніше забезпечували обертальні генератори на вугільних та газових електростанціях, що поступово зникають з нашого енергетичного балансу. Зберігання енергії також сприяє керуванню напругою в мережі: воно коригує реактивну потужність у ключових точках електромережі, підтримуючи напругу в допустимих межах навіть під час різких стрибків навантаження чи відмов обладнання. Це особливо важливо для мереж, що інтенсивно використовують енергію вітру та сонця, оскільки ці чисті джерела не забезпечують такої автоматичної стабільності, на яку ми раніше покладалися від електростанцій, що працюють на викопному паливі.

Забезпечення участі на ринку: арбітраж, гарантування потужності та допоміжні послуги

Сучасні системи зберігання енергії в електромережі роблять набагато більше, ніж просто технічні операції. Вони справді відкривають цілий спектр різних способів отримання прибутку. Коли ціни на електроенергію падають нижче приблизно 20 доларів за мегават-годину, розумні оператори накопичують енергію, а потім продають її назад у періоди різкого зростання цін понад 100 доларів. Деякі компанії укладають контракти, відомі як угоди про гарантовану потужність (capacity firming agreements), які фактично забезпечують стабільну подачу електроенергії для вітрових електростанцій і сонячних електростанцій. Такі угоди дозволяють системам зберігання енергії виступати в ролі резервного джерела живлення, коли сонце не світить або вітер не дме, сприяючи досягненню жорстких цілей щодо надійності поставок — 99 відсотків, — яких важко досягти відновлюваним джерелам енергії. Також існують можливості отримання прибутку на ринках так званих допоміжних послуг. Об’єкти зберігання енергії можуть заробляти від приблизно 50 до, можливо, 150 доларів США за мегават щодня лише за те, що допомагають підтримувати стабільність електромережі, наприклад, шляхом регулювання частоти. Усі ці різні джерела доходу означають, що системи зберігання енергії більше не є просто ще одним видом витрат. Натомість вони перетворюються на цінний актив, який реально покращує економічну ефективність функціонування всієї електроенергетичної системи.

Реальний вплив: приклади успішного застосування систем зберігання енергії в електромережі

Енергетичний резерв Хорнсдейл: забезпечення стабільності та економії на південноавстралійській електромережі з високим рівнем відновлюваних джерел енергії

Горнсдейлський енергетичний резерв відрізняється як перша у світі великомасштабна установка літій-іонних акумуляторів, що демонструє, насправді, як сітьові системи зберігання енергії можуть працювати в регіонах, які значною мірою покладаються на відновлювані джерела енергії. Розташований у самому центрі вітрової електричної мережі Південній Австралії, де «зелена» енергія часто становить понад половину всієї виробленої електроенергії, ця система реагує практично миттєво, щоб вирівняти коливання у споживанні та постачанні. Час реакції становить менше 100 мілісекунд, що означає запобігання потенційним відключенням електропостачання під час раптового дисбалансу між обсягами виробленої та спожитої електроенергії. Коли надходить надлишок електроенергії від вітрових електростанцій, установка зберігає цю зайву енергію, а потім повертає її в електромережу під час пікового навантаження у пізньому післяобідній час. Лише цього було достатньо, щоб за перші кілька років після запуску зекономити приблизно 116 мільйонів доларів США на витратах на енергію. Під час сильних штормів або спалахів спеки резерв забезпечує аварійну електропостачання, роблячи всю електромережу набагато стійкішою до перебоїв. Те, що сталося «внизу» (у Південній Австралії), надихнуло проекти-«копії» на різних континентах, зокрема в Каліфорнії та Німеччині. Ці установки доводять, що навіть за умов масового введення сонячної та вітрової енергії в наші електричні мережі ми все одно можемо забезпечувати стабільне електропостачання, водночас скорочуючи витрати й зменшуючи негативний вплив на навколишнє середовище.

Часто задані питання

Що таке переривчастість відновлюваних джерел енергії?

Переривчастість відновлюваних джерел енергії — це коливання виробництва електроенергії з відновлюваних джерел, таких як вітрова та сонячна енергія, спричинені такими факторами, як погодні умови та час доби, що може призводити до нестабільності енергопостачання.

Як системи накопичення енергії в енергосистемі допомагають керувати змінністю відновлюваних джерел енергії?

Системи накопичення енергії в енергосистемі допомагають керувати змінністю відновлюваних джерел енергії шляхом зберігання надлишкової енергії під час її високого виробництва та виведення її в мережу, коли попит перевищує пропозицію, забезпечуючи таким чином більш стабільну роботу енергосистеми.

Які основні типи технологій накопичення енергії в енергосистемі згадуються в статті?

У статті згадуються такі технології, як гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС), системи акумуляторного накопичення електроенергії (САНЕ) та «зелений» водень як ключові рішення для задоволення потреб у накопиченні енергії в енергосистемі.

Як Hornsdale Power Reserve сприяє стабільності енергосистеми?

Горнсдейльський енергозапас сприяє стабільності електромережі, швидко реагуючи на коливання у пропозиції та попиті, зберігаючи надлишкову енергію від відновлюваних джерел і забезпечуючи аварійне електропостачання в критичні моменти.