Системы аккумулирования энергии: промышленные и бытовые

С момента открытия электричества люди искали эффективные методы хранения энергии для дальнейшего использования по требованию. За последнее столетие отрасль накопления энергии продолжала развиваться и адаптироваться к меняющимся потребностям в энергоснабжении. Предприятия и частные потребители также проявляли заинтересованность в возможности хранения электроэнергии для устранения перегрузок и сглаживания колебаний мощности, происходящих независимо от производства возобновляемой энергии. Сейчас во всем мире наблюдается быстрое увеличение генерирующих мощностей, что и привело к развитию технологий накопления энергии для производства электроэнергии в больших масштабах. Существует много способов хранения энергии, однако очень важно определить, какие технологии лучше всего подходят для удовлетворения текущих и будущих потребностей. Давайте более детально рассмотрим промышленные и бытовые системы аккумулирования энергии (ESS).

Основные технологии ESS

Мировая энергетическая система предпринимает уверенные шаги на пути к декарбонизации: в нее добавляется все больше возобновляемых источников энергии (ВИЭ), снижаются затраты на хранение. Исследования показывают, что более быстрое, чем ожидалось, снижение стоимости накопления энергии и использование прерывистых источников энергии может увеличить потребность в ESS до более чем 400 ГВт·ч уже к 2030 году.

Системы хранения энергии предоставляют широкий спектр технологических подходов к управлению нашим энергоснабжением. Рассмотрим их основные категории.

  1. Твердотельные аккумуляторы – ряд электрохимических накопителей, в том числе современные химические аккумуляторы и конденсаторы (рис. 1).
Рис 1. Твердотельные аккумуляторы. Источник: онлайн-издание Energy storage networks, An overview of 6 energy storage methods, Feb’18.
Рис 1. Твердотельные аккумуляторы. Источник: онлайн-издание Energy storage networks, An overview of 6 energy storage methods, Feb’18.

2. Проточные аккумуляторы – аккумуляторы, в которых энергия накапливается непосредственно в растворе электролита для увеличения срока службы и мгновенного срабатывания (рис. 2).

Рис. 2. Принцип работы проточного аккумулятора. Источник: онлайн-издание Power Electronics, 6 Promising Energy Storage Options to Tie into the Grid, Feb’18.
Рис. 2. Принцип работы проточного аккумулятора. Источник: онлайн-издание Power Electronics, 6 Promising Energy Storage Options to Tie into the Grid, Feb’18.

3. Маховики – механические устройства, использующие энергию вращения для мгновенной подачи электричества. Компания Temporal Power заявляет о создании супермаховиков в мире с выходной мощностью 500 кВт на каждый (рис. 3).

Рис. 3. Пример принципа работы маховика компании АВВ. Источник: онлайн-издание Power Electronics, 6 Promising Energy Storage Options to Tie into the Grid, Feb’18.
Рис. 3. Пример принципа работы маховика компании АВВ. Источник: онлайн-издание Power Electronics, 6 Promising Energy Storage Options to Tie into the Grid, Feb’18.

4.Система хранения энергии на основе сжатого воздуха (рис. 4). С помощью данного способа можно создавать мощный запас энергии. Канадская компания Hydrostor в партнерстве с AECOM возглавляет внедрение этой технологии как на море, так и на суше.

Рис. 4. Хранение энергии за счет сжатия воздуха. Источник: the website of the Pacific Northwest National Laboratory, Compressed Air Energy Storage, Apr’17.
Рис. 4. Хранение энергии за счет сжатия воздуха. Источник: the website of the Pacific Northwest National Laboratory, Compressed Air Energy Storage, Apr’17.

5. Хранилище тепловой энергии – аккумулирование тепла и холода для создания энергии по требованию и ее выделение в удобное для потребителей время. Основным эталонным объектом в области тепловых солнечных электростанций с хранилищем является электростанция Crescent Dunes Solar Reserve в Неваде (США), мощность которой составляет 110 МВт (фото 1).

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

6. Насосная гидроэлектростанция – создание и хранение энергии с использованием двух резервуаров с водой, расположенных на разных высотах (рис. 5). Известный пример данной технологии – La Muela от Iberdrola, крупнейший комплекс PSH в Испании и Европе.

Рис. 5. Принцип работы насосной гидроэлектростанции. Источник: Wikipedia, Pumped-storage hydroelectricity.
Рис. 5. Принцип работы насосной гидроэлектростанции. Источник: Wikipedia, Pumped-storage hydroelectricity.

7. Гравитационные накопители энергии – устройства, которые генерируют электричество, выпуская при необходимости тяжелый груз с определенной высоты. Ares – ведущая компания в этой области, которая утверждает, что эта технология стоит на 40% дешевле, чем гидроаккумулирующая электростанция, и является более эффективной (рис. 6).

Рис. 6. Сравнение технологий накопления энергии. Источник: онлайн-издание Magnus, Energy Storage: Present or Future, Apr’17.
Рис. 6. Сравнение технологий накопления энергии. Источник: онлайн-издание Magnus, Energy Storage: Present or Future, Apr’17.

К слову, литий-ионные аккумуляторы – самые популярные элементы, которые используют в современных накопителях энергии как в быту, так и в промышленных масштабах.

На сегодняшний день большинство ESS сосредоточены в Европе, Северной Америке, Восточной и Центральной Азии, а также Тихом океане. Ведущие страны в данном направлении – США, Южная Корея, Япония и ряд европейских стран, включая Германию, Великобританию и Италию. В общей сложности, около 96% проектов установлены именно в этих странах. Остальные 4% находятся в Китае и Южной Америке, преимущественно в Чили. Ближний Восток и Северная Африка, Южная Азия и Африка к югу от Сахары имеют лишь незначительное количество систем аккумулирования энергии.

На рынке довольно много игроков ESS, перечислим лишь топовые компании.

Производители промышленных систем

Компания Frost & Sullivan, занимающаяся исследованием энергетического рынка, опубликовала отчет, в котором предполагается, что рынок ESS к 2025 году увеличит выручку от 160,4 млн долларов (данные за 2017 год) до 1,6 млрд. Прогнозируется, что к этому времени именно США, Австралия, Германия и Великобритания будут приносить годовой доход в размере 1,5 млрд долларов.

  1. Tesla

Tesla Powerpack – ведущий продукт для хранения энергии в промышленных масштабах (фото 2). Это самый крупный литий-ионный аккумулятор емкостью 129 МВт/ч и мощностью 100 МВт. ESS установлены на ветровой ферме Hornsdale в Южной Австралии.

Фото. 2. Промышленная ESS Tesla Powerpack. Источник: онлайн-издание Energy matters, WA buys Tesla Powerpack battery to store community solar energy, Oct’18.
Фото. 2. Промышленная ESS Tesla Powerpack. Источник: онлайн-издание Energy matters, WA buys Tesla Powerpack battery to store community solar energy, Oct’18.

2. SunPower

Ветеран в области солнечной энергетики также занимается хранением энергии под торговой маркой Helix. Проектирует, устанавливает и эксплуатирует аккумуляторные системы с собственным программным обеспечением для мониторинга и оптимизации генерации солнечной энергии. В бюджете компании заложены внушительные суммы в долларах США для коммерческого резервирования систем аккумулирования энергии.

3. SolarEdge

Продукт компании StorEDGE обеспечивает резервное питание и ограничивает экспорт солнечной энергии, тем самым экономя деньги клиентов. Компания поставляет инверторы и другие компоненты как для бытовых, так и промышленных инсталляторов.

Производители бытовых систем

  1. Tesla

Tesla Powerwall – самый известный аккумулятор для бытовых солнечных систем. Powerwall сочетает в себе инвертор с аккумулятором 13,5 кВт·ч и может подключаться к солнечным батареям, а также к автомобилям Tesla, заряжать и обеспечивать резервное питание дома. В начале 2018 года Tesla обнародовала информацию об открытии крупнейшей в мире сети литий-ионных батарей в Южной Австралии и о своем плане установить там же солнечные батареи Powerwall 2 в 50 тысячах домов (фото 3).

Фото. 3. Карл Принс ждал пять месяцев, пока будет установлен Tesla Powerwall 2. Источник: 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 Принс ждал пять месяцев, пока будет установлен Tesla Powerwall 2. Источник: 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 в сотрудничестве с Mercedes-Benz разрабатывает системы накопления энергии мощностью 2,5 кВт/ч, которые можно сочетать в блоке мощностью до 20 кВт·ч. Эта домашняя аккумуляторная система конкурирует с таковой производства Tesla с точки зрения стоимости и эффективности. Потребители могут использовать батареи для хранения избыточной солнечной энергии, вырабатываемой в течение дня, а затем пользоваться ею в периоды пикового потребления энергии (вечером и ночью), когда тарифы на электроэнергию обычно выше.

3. LG Chem

LG Electronics, одна из ведущих мировых компаний по производству аккумуляторов, предлагает серию систем хранения энергии LG (ESS), которая включает в себя две высоковольтные (RESU7H и RESU10H) и три низковольтные аккумуляторные системы (RESU3.3, RESU6.5 и RESU10). Высоковольтные модели также предоставляют различные инверторы, которые позволяют потребителям преобразовывать постоянный ток, полученный от солнечных батарей, в пригодный для использования переменный.

4. Eos Energy Storage

Eos Energy Storage предлагает своим клиентам привлекательные решения для хранения энергии. Флагманский продукт компании Eos Aurora – это недорогая аккумуляторная батарея постоянного тока, специально разработанная для удовлетворения потребности накопления энергии в масштабе сети. Система рассчитана на четыре часа непрерывной разрядки, ее можно масштабировать и настраивать для снижения затрат на коммунальные услуги.

5. Sonnen

SonnenBatterie eco использует технологию литий-железо-фосфатной батареи (LiFePO4), разработанную в Германии. В дополнение к батарейным модулям, система накопления энергии включает в себя инвертор, диспетчер энергии, технологию измерения мощности и программное обеспечение. Согласно сообщению компании, продукт оснащен системой обнаружения питания, которая в режиме реального времени будет находить перебои и автоматически переключаться на питание от батареи. Недавно Sonnen открыл завод в Атланте, чтобы начать производство для рынка США (фото 4).

Фото. 4. Установка аккумулятора компании Sonnen для бытовых потребностей. Источник: онлайн-издание Energy storage networks, Sonnen and HelioPower install first sonnenBatterie eco 10 system on California home, Feb’17.
Фото. 4. Установка аккумулятора компании Sonnen для бытовых потребностей. Источник: онлайн-издание Energy storage networks, Sonnen and HelioPower install first sonnenBatterie eco 10 system on California home, Feb’17.

6. Nissan

Компания предлагает решения для аккумуляторных батарей под названием xStorage, которые удерживают 4,2 кВт·ч энергии. По словам представителей компании, способность xStorage контролировать, когда брать энергию из сети, и сокращать пик потребления помогает потребителям снизить свои затраты на электроэнергию.

7. Sunverge

Аккумуляторы Sunverge One и Infinity обеспечивают накопление энергии от 7,7 кВт до 19,4 кВт·ч. Имеется также соответствующее приложение для смартфона, поэтому потребители в любое время могут отследить, сколько процентов солнечной энергии накоплено.

8. Redflow

Компания производит цинк-бромные аккумуляторы Redflow ZBM2 и ZCell.

Благодаря системе хранения с технологией plug-and-play и возможности самостоятельного управления, защиты и мониторинга в режиме 24/7, данные батареи могут переносить энергию в больших объемах.

9. Siemens

Компания уже имеет свою торговую марку Siestorage для контейнерного хранения энергии. Но в феврале 2019 года Siemens представили Junelight Smart Battery, системы хранения энергии на основе литий-ионных аккумуляторов для частных домохозяйств (фото 5). Мониторинг в режиме реального времени доступен через мобильное приложение, и система может быть настроена на мощность до 19,8 кВт/ч, если объединить шесть модульных блоков по 3,3 кВт·ч.

Фото. 5. Siemens ESS для домашнего использования. Источник: онлайн-издание Clean technica, Siemens Enters Residential Storage Market With Junelight Smart Battery, Feb’19.
Фото. 5. Siemens ESS для домашнего использования. Источник: онлайн-издание Clean technica, Siemens Enters Residential Storage Market With Junelight Smart Battery, Feb’19.

10. Panasonic

В 2015 году компания завершила работы над «умным городом» Фудзисава в Японии. Все дома города подключены к интеллектуальной энергосистеме на солнечной энергии, что позволяет району работать в автономном режиме до трех дней. В течение следующего десятилетия компания будет стремиться повторить успех Фудзисавы в области микросетей в Денвере (США) и начать новые проекты по всей территории страны.

Недавно корпорации Toyota Motor и Panasonic объявили о создании совместного предприятия по производству призматических литий-ионных аккумуляторов, батарей с твердым электролитом и аккумуляторов нового поколения для электромобилей.

Помимо вышеизложенного, в Австралии не так давно начали выпуск зеленых облигаций, которые дают людям возможность инвестировать в хранение энергии.

Национальная финансовая корпорация по чистой энергии (CEFC) страны инвестировала 10 млн австралийских долларов в выпуск данных облигаций на сумму 90 млн австралийских долларов. Цель – стимулирование институциональных инвесторов помочь ускорить развертывание солнечных фотоэлектрических систем на крышах домов и небольших систем хранения энергии.

Выводы

Системы аккумулирования энергии помогут перейти от ископаемого топлива к глобальной декарбонизации и будущему стопроцентно возобновляемой энергии.

ESS имеет преимущества, что поможет решить ряд актуальных вопросов:

  • Стоимость производства электроэнергии может колебаться, будучи дешевле в одной точке и дороже – в другой. ESS могут помочь сбалансировать затраты.
  • Сгладить поток возобновляемой энергии, рост которой может быть нестабильным и непредсказуемым.
  • Как только ESS интегрированы в системы электроснабжения, они могут служить резервной копией в случае отказа основного источника энергии. Незаменимы во время стихийных бедствий, таких как ураганы, и не только.
  • Будет играть важную роль в управлении поставками из периодически возобновляемых источников и поможет устранить выбросы от импортируемой электроэнергии.
  • Благодаря ESS человечество сможет переключиться с источников энергоснабжения прерывистого действия на непрерывного, надежный поток энергии из ВИЭ.
  • Имеют важное значение для достижения полного технического потенциала солнечных и ветряных электростанций, а также электромобилей.