Системи акумулювання енергії: промислові та побутові

З моменту відкриття електрики люди шукали ефективні методи зберігання енергії для подальшого використання у разі потреби. За останнє сторіччя галузь накопичення енергії продовжувала розвиватися й адаптуватися до мінливих потреб в енергопостачанні. Підприємства та приватні споживачі також проявляли зацікавленість у можливості зберігання електроенергії для усунення перевантажень і згладжування коливань потужності, що відбуваються незалежно від виробництва відновлюваної енергії. Зараз у всьому світі спостерігається швидке збільшення генерувальних потужностей, що і привело до розвитку технологій накопичення енергії для виробництва електроенергії у великих масштабах. Існує багато способів зберігання енергії, проте дуже важливо визначити, які технології найкраще підходять для задоволення поточних і майбутніх потреб. Давайте більш детально розглянемо промислові та побутові системи акумулювання енергії (ESS).

Основні технології ESS

Світова енергетична система робить впевнені кроки на шляху до декарбонізації: в неї додається все більше відновлюваних джерел енергії (ВДЕ), знижуються витрати на зберігання. Дослідження показують, що більш швидке, ніж очікувалося, зниження вартості накопичення енергії та використання перемінних джерел енергії може збільшити потребу в ESS до понад 400 ГВт·год вже до 2030 року.

Системи зберігання енергії надають широкий спектр технологічних підходів до управління нашим енергопостачанням. Розглянемо лише основні категорії.

  1. Твердотільні акумулятори – ряд електрохімічних накопичувачів, у тому числі сучасні хімічні акумулятори та конденсатори (рис. 1).
Рис 1. Твердотільні акумулятори. Джерело: онлайн-видання Energy storage networks, An overview of 6 energy storage methods, Feb’18.
Рис 1. Твердотільні акумулятори. Джерело: онлайн-видання Energy storage networks, An overview of 6 energy storage methods, Feb’18.

2. Проточні акумулятори – акумулятори, в яких енергія накопичується безпосередньо в розчині електроліту для збільшення терміну служби і миттєвого спрацювання (рис. 2).

Рис. 2. Принцип роботи проточного акумулятора. Джерело: онлайн-видання Power Electronics, 6 Promising Energy Storage Options to Tie into the Grid, Feb’18.
Рис. 2. Принцип роботи проточного акумулятора. Джерело: онлайн-видання Power Electronics, 6 Promising Energy Storage Options to Tie into the Grid, Feb’18.

3. Маховики – механічні пристрої, що використовують енергію обертання для миттєвої подачі електричного струму (рис. 3). Компанія Temporal Power заявляє про створення супермаховиків з вихідною потужністю 500 кВт на кожен.

Рис. 3. Приклад принципу роботи маховика компанії АВВ. Джерело: онлайн-видання Power Electronics, 6 Promising Energy Storage Options to Tie into the Grid, Feb’18.
Рис. 3. Приклад принципу роботи маховика компанії АВВ. Джерело: онлайн-видання Power Electronics, 6 Promising Energy Storage Options to Tie into the Grid, Feb’18.

4. Система зберігання енергії на основі стисненого повітря (рис. 4). За допомогою даного способу можна створювати потужний запас енергії. Канадська компанія Hydrostor в партнерстві з AECOM очолює впровадження цієї технології як на морі, так і на суші.

Рис. 4. Зберігання енергії за рахунок стисненого повітря. Джерело: the website of the Pacific Northwest National Laboratory, Compressed Air Energy Storage, Apr’17.
Рис. 4. Зберігання енергії за рахунок стисненого повітря. Джерело: the website of the Pacific Northwest National Laboratory, Compressed Air Energy Storage, Apr’17.

5. Сховище теплової енергії – акумулювання тепла і холоду для створення енергії на вимогу та її виділення в зручний для споживачів час. Основним еталонним об’єктом в області таких сонячних електростанцій є Crescent Dunes Solar Reserve в Неваді (США), потужність якої становить 110 МВт (фото 1).

Фото 1. Електростанція Crescent Dunes Solar Reserve, Невада, США. Джерело: онлайн-видання Power Electronics, 6 Promising Energy Storage Options to Tie into the Grid, Feb’18.
Фото 1. Електростанція Crescent Dunes Solar Reserve, Невада, США. Джерело: онлайн-видання Power Electronics, 6 Promising Energy Storage Options to Tie into the Grid, Feb’18.

6. Насосна гідроакумулювальна електростанція – створення та зберігання енергії з використанням двох резервуарів із водою, розташованих на різних висотах (рис. 5). Відомий приклад даної технології – La Muela від Iberdrola, найбільший гідрокомплекс в Іспанії та Європі.

Рис. 5. Принцип роботи насосної гідроелектростанції. Джерело: Wikipedia, Pumped-storage hydroelectricity.
Рис. 5. Принцип роботи насосної гідроелектростанції. Джерело: Wikipedia, Pumped-storage hydroelectricity.

7. Гравітаційні накопичувачі енергії – пристрої, які генерують електрику, випускаючи у разі потреби важкий вантаж із певної висоти. Ares – провідна компанія в цій галузі, яка стверджує, що дана технологія коштує на 40% дешевше, ніж гідроакумулювальна електростанція, і є більш ефективною (рис. 6).

Рис. 6. Порівняння технологій накопичення енергії. Джерело: онлайн-видання Magnus, Energy Storage: Present or Future, Apr’17.
Рис. 6. Порівняння технологій накопичення енергії. Джерело: онлайн-видання Magnus, Energy Storage: Present or Future, Apr’17.

До слова, літій-іонні акумулятори – найпопулярніші елементи, які використовують у сучасних накопичувачах енергії як в побуті, так і в промислових масштабах.

На сьогодні більшість ESS зосереджені в Європі, Північній Америці, Східній та Центральній Азії, а також Тихому океані. Провідні країни в даному напрямку – США, Південна Корея, Японія і ряд європейських країн, включно з Німеччиною, Великобританією та Італією. В цілому, близько 96% проектів встановлено саме в цих країнах. Решта 4% знаходяться в Китаї та Південній Америці, переважно в Чилі. Близький Схід і Північна Африка, Південна Азія і Африка на південь від Сахари мають лише незначну кількість систем акумулювання енергії.

На ринку досить багато гравців ESS, перерахуємо лише топові компанії.

Виробники промислових систем

Компанія Frost & Sullivan, котра займається дослідженням енергетичного ринку, опублікувала звіт, в якому передбачається, що ринок ESS до 2025 року збільшить виручку зі 160,4 млн доларів (дані за 2017 рік) до 1,6 млрд. Прогнозується, що до цього часу саме США, Австралія, Німеччина та Великобританія будуть приносити річний дохід у розмірі 1,5 млрд доларів.

  1. Tesla

Tesla Powerpack – провідний продукт для зберігання енергії в промислових масштабах (фото 2). Це найбільший літій-іонний акумулятор ємністю 129 МВт·год і потужністю 100 МВт. ESS встановлені на вітровій фермі Hornsdale в Південній Австралії.

Фото. 2. Промислова ESS Tesla Powerpack. Джерело: онлайн-видання Energy matters, WA buys Tesla Powerpack battery to store community solar energy, Oct’18.
Фото. 2. Промислова ESS Tesla Powerpack. Джерело: онлайн-видання Energy matters, WA buys Tesla Powerpack battery to store community solar energy, Oct’18.

2. SunPower

Ветеран в області сонячної енергетики також займається зберіганням енергії під торговою маркою Helix. Проектує, встановлює й експлуатує акумуляторні системи з власним програмним забезпеченням для моніторингу та оптимізації генерації сонячної енергії. У бюджеті компанії закладені значні суми в доларах США для комерційного резервування систем акумулювання енергії.

3. SolarEdge

Продукт компанії StorEDGE забезпечує резервне живлення й обмежує експорт сонячної енергії, тим самим заощаджуючи гроші клієнтів. Компанія поставляє інвертори й інші компоненти як для побутових, так і промислових інсталяторів.

Виробники побутових систем

  1. Tesla

Tesla Powerwall – найвідоміший акумулятор для сонячних електростанцій побутового призначення. Powerwall поєднує в собі інвертор із акумулятором 13,5 кВт·год і може підключатися до сонячних батарей, а також до автомобілів Tesla, заряджати і забезпечувати резервне живлення будинку. На початку 2018 року Tesla оприлюднила інформацію про відкриття найбільшої в світі мережі літій-іонних батарей в Південній Австралії і про свій план встановити там же сонячні батареї Powerwall 2 в 50 тисячах будинків (фото 3).

Фото. 3. Карл Прінс чекав п'ять місяців, поки буде встановлено Tesla Powerwall 2. Джерело: веб-сайт https://www.abc.net.au, Meet the man who was off the grid as Sydney's eastern suburbs went dark, Feb’19.
Фото. 3. Карл Прінс чекав п'ять місяців, поки буде встановлено Tesla Powerwall 2. Джерело: веб-сайт https://www.abc.net.au, Meet the man who was off the grid as Sydney's eastern suburbs went dark, Feb’19.

2. Vivint Solar

Vivint Solar у співпраці з Mercedes-Benz розробляє системи накопичення енергії потужністю 2,5 кВт·год, які можна поєднувати у блок потужністю до 20 кВт·год. Ця побутова акумуляторна система конкурує з Tesla – по вартості та ефективності. Споживачі можуть використовувати батареї для зберігання надлишкової сонячної енергії, що виробляється протягом дня, а потім користуватися нею в періоди пікового споживання енергії (ввечері та вночі), коли тарифи на електроенергію зазвичай вище.

3. LG Chem

LG Electronics, одна з провідних світових компаній з виробництва акумуляторів, пропонує серію систем зберігання енергії LG (ESS), яка складається з двох високовольтних (RESU7H і RESU10H) і трьох низьковольтних акумуляторних систем (RESU3.3, RESU6.5 і RESU10). Високовольтні моделі також надають різні інвертори, які дозволяють споживачам перетворювати постійний струм, отриманий від сонячних батарей, в придатний для використання перемінний.

4. Eos Energy Storage

Eos Energy Storage пропонує своїм клієнтам привабливі рішення для зберігання енергії. Флагманський продукт компанії Eos Aurora – це недорога акумуляторна батарея постійного струму, спеціально розроблена для задоволення потреби накопичення енергії в мережі. Система розрахована на чотири години безперервної розрядки, її можна масштабувати і налаштовувати для зниження витрат на комунальні послуги.

5. Sonnen

SonnenBatterie eco використовує технологію літій-залізо-фосфатної батареї (LiFePO4), розробленої в Німеччині. На додаток до батарейних модулів система накопичення енергії складається з інвертора, диспетчера енергії, технології вимірювання потужності та програмного забезпечення. Згідно з повідомленням компанії, продукт оснащений системою виявлення живлення, яка в режимі реального часу буде знаходити перебої й автоматично перемикатися на живлення від батареї. Нещодавно Sonnen відкрив завод в Атланті, щоб почати виробництво для ринку США (фото 4).

Фото. 4. Встановлення акумулятора компанії Sonnen для побутових потреб. Джерело: онлайн-видання Energy storage networks, Sonnen and HelioPower install first sonnenBatterie eco 10 system on California home, Feb’17.
Фото. 4. Встановлення акумулятора компанії Sonnen для побутових потреб. Джерело: онлайн-видання Energy storage networks, Sonnen and HelioPower install first sonnenBatterie eco 10 system on California home, Feb’17.

6. Nissan

Компанія пропонує рішення для акумуляторних батарей під назвою xStorage, які утримують 4,2 кВт·год енергії. За словами представників компанії, здатність xStorage контролювати, коли брати енергію з мережі, і скорочувати пік споживання допомагає споживачам знизити свої витрати на електроенергію.

7. Sunverge

Акумулятори Sunverge One та Infinity забезпечують накопичення енергії від 7,7 кВт до 19,4 кВт·год. Є також відповідний додаток для смартфона, тому споживачі в будь-який час можуть відстежити, скільки відсотків сонячної енергії накопичено.

8. Redflow

Компанія виготовляє цинк-бромні акумулятори Redflow ZBM2 и ZCell.

Завдяки системі зберігання з технологією plug-and-play і можливості самостійного управління, захисту та моніторингу в режимі 24/7, дані батареї можуть переносити енергію в великих об’ємах.

9. Siemens

Компанія вже має свою торгову марку Siestorage для контейнерного зберігання енергії. Але в лютому 2019 року Siemens представили Junelight Smart Battery, системи зберігання енергії на основі літій-іонних акумуляторів для приватних домогосподарств (фото 5). Моніторинг у режимі реального часу доступний через мобільний додаток, систему також можна налаштувати на потужність до 19,8 кВт·год, якщо об’єднати шість модульних блоків по 3,3 кВт·год.

Фото. 5. Siemens ESS для побутового використання. Джерело: онлайн-видання Clean technica, Siemens Enters Residential Storage Market With Junelight Smart Battery, Feb’19.
Фото. 5. Siemens ESS для побутового використання. Джерело: онлайн-видання Clean technica, Siemens Enters Residential Storage Market With Junelight Smart Battery, Feb’19.

10. Panasonic

У 2015 році компанія завершила роботи над «розумним містом» Фудзісава в Японії. Всі будинки міста були підключені до інтелектуальної енергосистеми на сонячній енергії, що дозволяє району працювати в автономному режимі до трьох днів. Протягом наступного десятиліття компанія прагнутиме повторити успіх Фудзісави в області мікромереж у Денвері (США) і почати нові проекти по всій території країни.

Нещодавно корпорації Toyota Motor і Panasonic оголосили про створення спільного підприємства з виробництва призматичних літій-іонних акумуляторів, батарей із твердим електролітом і акумуляторів нового покоління для електромобілів.

Крім вищевикладеного, в Австралії не так давно почали випуск зелених облігацій, які дають людям можливість інвестувати в зберігання енергії.

Національна фінансова корпорація з чистої енергії (CEFC) країни інвестувала 10 млн австралійських доларів у випуск даних облігацій на суму 90 млн австралійських доларів. Мета – стимулювання інституційних інвесторів допомогти прискорити розгортання сонячних фотоелектричних систем на дахах будинків і невеликих систем зберігання енергії.

Висновки

Системи акумулювання енергії допоможуть перейти від викопного палива до глобальної декарбонізації та майбутньої стовідсотково відновлюваної енергії.

ESS має переваги, що допоможе вирішити ряд актуальних питань:

  • Вартість виробництва електроенергії може коливатися, будучи дешевше в одній точці і дорожче – в іншій. ESS можуть допомогти збалансувати витрати.
  • Згладити потік відновлюваної енергії, зростання якої може бути нестабільним і непередбачуваним.
  • Щойно ESS будуть інтегровані в системи електропостачання, вони зможуть служити резервною копією в разі відмови основного джерела енергії. Незамінні під час стихійних лих, таких як урагани, і не тільки.
  • Буде відігравати важливу роль в управлінні поставками з періодично відновлюваних джерел і допоможе усунути викиди від імпортованої електроенергії.
  • Завдяки ESS людство зможе перейти з джерел енергопостачання перемінної дії на безперервної, надійний потік енергії з ВДЕ.
  • Мають важливе значення для досягнення повного технічного потенціалу сонячних і вітряних електростанцій, а також електромобілів.