Современные системы накопления энергии в энергетике и на транспорте

Современные системы накопления энергии
Юрий Степанович Почанин

В книге описаны современные системы накопления энергии и их роль в повышении эффективности гибридных электростанций, в новых возможностях электрического транспорта, в снижении экологической нагрузки промышленных предприятий на окружающую среду. Описаны принципы действия основных элементов следующих накопительных систем энергии: электрохимических, электромагнитных, криогенных, гравитационных, кинетических и алюмоводородных. Описаны водородные топливные элементы и их использование в энергетике. Даны характеристика и практическое применение тяговых аккумуляторов для электрического транспорта.

Юрий Почанин

Современные системы накопления энергии

Введение

Мировая электроэнергетика находится в одном шаге от преобразования базового технологического принципа – соответствия уровня генерации и потребления в единый момент времени. Прорывная технология, которая позволит разделить генерацию и потребление, это накопление энергии. Эта технология полностью изменит всю систему диспетчеризации, соотношение традиционной и альтернативной электроэнергетики и многое другое.

Атомные, тепловые, а также гидроэлектростанции на сегодняшний день являются главными источниками получения электричества. Однако постепенно на смену этим высокоаварийным и экологически небезопасным способам получения электроэнергии приходят альтернативные методы ее выработки, доля которых уже сегодня составляет около 25% мирового энергетического баланса.

Cпециалисты напоминают нам о том, что энергосети работают не так эффективно, как могли бы, и призывает переходить на распределенную энергетику. Наблюдается масштабное вовлечение в энергосистему распределенных энергетических ресурсов (в том числе и возобновляемых источников энергии), оптимальное сочетание большой, распределенной и автономной энергетики.

Формируемая новая технологическая модель электроэнергетики будет характеризоваться увеличением сложности энергосистем с появлением существенной доли распределенной генерации, с повышением требований по доступности, качеству и надежности энергии. Все это будет связано с массовое применение накопителей электроэнергии, приводящее к новому построению энергосистемы. Потенциальные области применения накопителей включают: сглаживание неравномерности производства и потребления (в том числе на ВИЭ), регулирование напряжения и частоты, предоставление резерва мощности, аварийное питание для предотвращения развития системных чрезвычайных ситуаций. Однако эффективная работа такой электростанции невозможна без использования систем накопления энергии. Применение такого оборудования позволяет аккумулировать (сохранять) получаемую энергию для ее использования в будущем, например, в темное время суток, когда ее выработка ввиду отсутствия света просто невозможна.

Современные энергетические рынки нельзя представить без жизненно важных компонентов – систем накопления энергии. В своей погоне за углеродной нейтральностью и адаптацией к изменчивой генерации из возобновляемых источников ведущие мировые экономики ставят перед собой амбициозные цели. В этом контексте системы накопления играют ключевую роль, организуя процесс генерации энергии из возобновляемых источников, балансируя спрос и предложение, а также предоставляя необходимые функции, включая регулирование частоты и напряжения для обеспечения стабильности и надежности электросети.

По данным Bloomberg NEF, в 2022 году рынок накопителей энергии достиг впечатляющих результатов, увеличившись на 16 ГВт мощности при емкости в 35 ГВт·ч, демонстрируя значительный рост на 68% по сравнению с предыдущим годом. По оценке компании, установленная мощность накопителей энергии в мире к 2040 году взлетит до 1095 ГВт, а их емкость достигнет 2850 ГВт*ч.

Как сообщает Европейская ассоциация хранения энергии (EASE), Европе потребуется общая установленная мощность систем хранения энергии в 187 ГВт к 2030 году и 600 ГВт к 2050 году для достижения целей по переходу на возобновляемые источники энергии. Тем не менее, несмотря на строгие цели по сокращению выбросов углекислого газа на всем континенте, большинство стран еще не разработали национальную стратегию и не установили целевые показатели по внедрению накопителей энергии, однако прослеживаются многообещающие начинания.

Европейский союз (ЕС) уже активно поддерживает развитие инфраструктуры СНЭ (систем накопления энергии) посредством различных инициатив.

Ожидается, что на мировом рынке будут доминировать США и Китай, за которыми будут следовать Германия и Индия. Объём инвестиций в сектор за рассматриваемый период составит 662 млрд долларов США. Такое бурное развитие станет возможным благодаря дальнейшему падению стоимости литий-ионных аккумуляторов, которая в период 2010-2018 снизилась на 85%.

Главную роль в развитии рынка будут играть крупные промышленные (utility-scale) накопители энергии, установленные в системе, а не у потребителей, считает BNEF. В ближайшей перспективе основную долю рынка займут гибридные проекты, в которых ВИЭ, в первую очередь солнечные электростанции будут комплектоваться накопителями энергии. В дальнейшем системы хранения энергии станут реальной альтернативой генерирующим активам любого типа, а также расширению сетей. Авторы отмечают, что к 2040 году около 40% мировой электроэнергии будут вырабатывать ветровые и солнечные электростанции. Это явится одним из основных стимулов роста рынка накопителей энергии.

На чем основаны энергетические системы разных поколений?

Первое поколение (1880–1930 гг.):

–местное отопление;

–системы на основе перегретого (высокотемпературного) пара;

–уголь.

Второе поколение (1930–1980 гг.):

–районное теплоснабжение;

–высокотемпературная система водяного отопления под давлением;

–комбинированные тепло и электрическая мощность;

–уголь, мазут.

Третье поколение (1980–2020 гг.):

–районное теплоснабжение;

–горячая вода средней температуры;

–комбинированные системы выработки тепла и электрической мощности;

–газ, уголь, мазут, энергетическое сырье из биомассы;

–крупномасштабные солнечные электростанции.

Четвертое поколение (2020–2050 гг.):

–районное теплоснабжение;

–горячая вода низкой температуры;

–централизованный нагрев и охлаждение;

–накопление и хранение электрической и тепловой энергии;

–рекуперация тепла;

–комбинированные системы выработки тепла и электрической мощности;

–энергетическое сырье из биомассы;

–теплообмен через геотермальные насосы;

–возобновляемая энергия: энергия солнца и ветра.

Системы четвертого поколения работают при более низких температурах воды, что приводит к снижению потерь тепла по сравнению с предыдущими поколениями и позволяет использовать различные источники для его получения, такие как отходы, геотермальный обмен, солнечное тепло, комбинированное тепло, и рекуперация энергии и тепла. В сочетании с накопителем тепловой энергии и интеллектуальным управлением такая система становится экономичным способом интеграции возобновляемой энергии и технологий накопления в повседневную практику предоставления услуг энергосистемами.

Структура целевого использования систем накопления электрической энергии (СНЭЭ) в мире, следующая:

1.Регулирование частоты -55%.

2.Резервная мощность -9%.

3. Смещение графика нагрузки – 13%.

4. Снижение счета потребителя -11%.

5.Снижение счета с ВИЭ -1%.

6.Поддержка ВИЭ -7%.

7. Надежность и качество – 1%.