Влияние систем хранения энергии на внедрение ВИЭ

В чем кроется ключевая проблема внедрения PV-генерации? Каким образом нейтрализовать недостатки изменяемой генерации (VRE) из возобновляемых источников (ВИЭ)? Эксперты считают, что решение проблем повсеместной имплементации солнечной энергетики кроется в смежных отраслях.

На фото: «Солнечное сообщество» Jasper в Prescott Valley, Аризона, США, 2900 частных домов, организованных в виртуальную PV-электростанцию 11.6 МВт с распределенной системой хранения энергии емкостью 23 МВт · ч.
На фото: «Солнечное сообщество» Jasper в Prescott Valley, Аризона, США, 2900 частных домов, организованных в виртуальную PV-электростанцию 11.6 МВт с распределенной системой хранения энергии емкостью 23 МВт · ч.

В отчете агентства IRENA «Electricity storage and renewables: Costs & Markets to 2030» о состоянии рынка и прогноза стоимости систем хранения энергии из ВИЭ его глава Аднан С. Амин категорически утверждает, что для ускорения развертывания ВИЭ в центре внимания сейчас должны быть системы хранения электроэнергии (ESS), в том числе аккумуляторные системы. Накопление энергии — от батарей для домашних PV-установок и электромобилей вместе с мощными стационарными станциями — будет играть ключевую роль в ускорении перехода на постоянную модель возобновляемой энергетики. И для этих утверждений есть обоснованные основания, базирующиеся на научных исследованиях и экспертных оценках. Но ускорение развертывания систем ESS требует немедленных действий.

Что могут ESS?

Энергосистема всегда нуждалась в компенсационных мощностях, которые перекрывали бы пиковые перегрузки от изменения спроса. Внедрение VRE обострило потребность в дополнительных быстродействующих компенсационных мощностях, которые должны поглощать колебания текущего спроса, но и также устранять временную суточную, сезонную и летнюю нестабильность VRE-генерации. Особенно это касается ВИЭ, которые наиболее быстро внедряются — солнечных PV-станций и ветровых установок различного базирования. Но системы ESS могут и должны выполнять дополнительные функции, которые призваны стабилизировать работу энергосистемы, повысить качество энергоснабжения, поддерживать напряжение и частоту, балансировать, предотвращать последствия от аварий на электросетях, быстро перераспределять энергопотоки для населения и промышленности см. рис. 1 (красным показаны функции, которые непосредственно касаются VRE-генерации). Отметим, что среди функций, присущих ESS, есть и финансовые — прежде всего арбитраж, оптимизация собственного «самоиспользования» и поставки «зеленой энергии» с PV-источников в общую сеть, управление счетами с целью уменьшить максимальные расходы на приобретательства энергии извне. Оптимизация суточного потребления благодаря ESS может разблокировать потребителю доступ к нескольким источникам поступления энергии.

Агентство IRENA в недавнем исследовании для стран G20 обнаружила, что к 2050 г.. более 80% мировой электроэнергии может быть получено из ВИЭ. Солнечная фотоэлектрическая энергия (PV) и энергия ветра будут составлять 52% от общего объема производства электроэнергии. Хранение электроэнергии будет главным элементом энергетической транзиции, предоставляя услуги по всей цепи поставки в электрическую сеть и в сектора конечного потребления.

Использование ESS-мощностей может существенно уменьшить существующие и растущие ограничения на электросеть и может отложить либо устранить необходимость больших инвестиций в развитие сетевой инфраструктуры, независимо от того, являются ли эти ограничения вызваны ростом доли VRE-генерации, или изменениями в спросе.

При достижении высокой доли генерации энергии из ветра и солнца, которые ожидаются после 2030 (например, местами до 70-80%), в долгосрочной перспективе становится чрезвычайно важной необходимость хранения энергии для нивелирования колебаний в добыче и потреблении энергии в течение нескольких дней, недель или месяцев. Кроме высокой гибкости системы, это потребует от технологий хранения низких затрат и способности сохранять электроэнергию в течение более длительного времени, чтобы балансировать сезонные и годовые колебания.

Рис. 1. Функциональные возможности систем хранения электроэнергии (ESS) и предоставляемые ими услуги по группам аспектов. Источник: IRENA «Electricity storage and renewables: Costs & Markets to 2030».
Рис. 1. Функциональные возможности систем хранения электроэнергии (ESS) и предоставляемые ими услуги по группам аспектов. Источник: IRENA «Electricity storage and renewables: Costs & Markets to 2030».

Главный вектор развертывания ESS

Традиционная энергосистема пользовалась системами накопления и хранения энергии, используя главным образом потенциальную энергию воды (гидроаккумулирующие станции, ГАЭС). Собственно и сейчас ГАЭС доминируют среди всех типов ESS, занимая на середину 2017 года 96% в общей установленной мощности всех хранилищ энергии см. рис. 2. Сейчас гидроаккумулирующие ESS составляют примерно 169 ГВт мировой установленной мощности от почти 176 ГВт в целом, из которого термальные хранилища имеют мощность 3,3 ГВт (1,9%), электрохимические батареи — 1,9 ГВт (1,1%) и электромеханические системы — 1,1 ГВт (0,9%).

Термальные ESS для VRE в большей степени используются в системах концентрации солнечной энергии (CSP), а среди них наиболее употребительным является технология накопления тепла в солевых расплавах (70%). Среди электрохимических средств ESS беспрекословно лидируют литий-ионные технологии (59%). Электромеханические технологии главным образом распределились в пропорции 40/60 в пользу супер-маховиков, но технологии накопления энергии в виде сжатого воздуха имеют больший потенциал развития (в основном за счет способности к масштабированию и созданию хранилищ с большой накопительной емкостью, например, в подземных полостях, образовавшихся после добычи полезных ископаемых и т.д.).

Но пока типу ESS, который ускоряет развитие больше всего, являются электрические аккумуляторные системы различного уровня мощности и назначения. Особенно это касается литий-ионных батарей, рис. 2. Прогнозируется, что стационарные аккумуляторные ESS (т.е. без ESS для электротранспорта) разовьются от 2 ГВт (2017) до менее 235 ГВт в 2030 Это произойдет не только за счет снижения установленных затрат, увеличения продолжительности эксплуатации, гарантированного количества циклов заряда / разряда и улучшенной накопительной способности, но и благодаря новым услугам и возможностям, которые электрохимические ESS могут предложить для устойчивости новой энергетики.

Рис. 2. Современное распределение ESS по наиболее употребляемым типам на средину 2017 и распределение установленной мощности среди тепловых, электрохимических и электромеханических систем накопления энергии. Источник: IRENA «Electricity storage and renewables: Costs & Markets to 2030».
Рис. 2. Современное распределение ESS по наиболее употребляемым типам на средину 2017 и распределение установленной мощности среди тепловых, электрохимических и электромеханических систем накопления энергии. Источник: IRENA «Electricity storage and renewables: Costs & Markets to 2030».

Если страны будут продолжать двигаться к удвоению доли ВИЭ-генерации (сценарий REmap Doubling), общая мощность ESS всех типов до 2030 г. должна утроиться. По этому сценарию открывается новый мощный рынок. К 2030 емкость стационарных и мобильных аккумуляторных ESS с примерно 4,67 ТВт · ч в 2017 достигнет 11,89-15,72 ТВт · ч (то есть на 155-227% выше, чем в 2017, «низкий » (менее оптимистичен) и« высокий » (более оптимистический) прогнозы имплементации ВИЭ).

К 2030 г. мощность ГАЭС вырастет на 1560-2340 ГВт · ч, но уровень их применения снизится до 45-51% прежде всего за счет развертывания электрических аккумуляторных систем (сценарий REmap Doubling). Ожидается, что негидравлические ESS вырастут с уровня 162 ГВт · ч в 2017 гг. до 5821-8426 ГВт · ч в 2030 г., то есть в 20-50 раз. IRENA прогнозирует, что потребность в хранении электроэнергии будет только увеличиваться, в том числе и благодаря электротранспорту, который также потребует от энергосистемы дополнительной гибкости.

Подобно ценам на солнечные PV-панели за 10 последних лет, батарейные ESS уменьшают себестоимость. К 2030 г. общая стоимость установок может снизиться на 50-60% (а расходы на аккумуляторные батареи еще больше), что обусловлено оптимизацией производственных мощностей, развитием технологии в сочетании с лучшими комбинациями и меньшим использованием материалов. Продолжительность работы аккумулятора и энергоемкость также улучшатся, что уменьшит эффективную стоимость. Прогнозируется, что расходы на литий-ионные аккумуляторы стационарных ESS до 2030 г. уменьшатся до $ 200 за киловатт-час или даже меньше. Прогноз по росту потребления стационарных батарейных ESS (или BES) проиллюстрировано на рис. 3.

Рис. 3. Рост мировой накопительной способности стационарных батарейных ESS (BES) по типам их назначения, 2017-2030. Источник: IRENA «Electricity storage and renewables: Costs & Markets to 2030».
Рис. 3. Рост мировой накопительной способности стационарных батарейных ESS (BES) по типам их назначения, 2017-2030. Источник: IRENA «Electricity storage and renewables: Costs & Markets to 2030».

Малые и средние BES — рост на порядок.

Крупнейшим рынком для BES в период до 2030 г. станет сочетание стационарных систем BES с новыми малыми солнечными PV-установками для коммунального сектора, домашних PV-станций и малых распределенных сетей см. рис. 4. Экономическая составляющая таких BES может значительно улучшиться в ближайшие несколько лет, особенно в тех странах, где существует большая разница между тарифами электроэнергии для жилья и коммерческого потребления и где внедрены вознаграждения за подачу ВИЭ в энергосеть ( «зеленый тариф»). Рынок малых и средних BES значительно возрастет с примерно 10 ГВт · ч в середине 2017 до 45-74 ГВт · ч по основному сценарию и до 81-187 ГВт · ч в случае с REmap Doubling. Ожидается, что увеличится количество стран, где рынок будет реформирован для расширения VRE-поколения, появятся новые рынки вспомогательных услуг, среди которых услуги по суточной балансировки, стабилизации частоты и напряжения, ценового арбитража (в том. ч. по технологиям «блокчейн» ) тому подобное.

Рис. 4. Рост потребления стационарных BES в малом и среднем сегменте, 2017-2030 г.. Источник: IRENA «Electricity storage and renewables: Costs & Markets to 2030».
Рис. 4. Рост потребления стационарных BES в малом и среднем сегменте, 2017-2030 г.. Источник: IRENA «Electricity storage and renewables: Costs & Markets to 2030».

Потенциал снижения цены BES

Исследование IRENA по уменьшению стоимости и изменения структуры цены литий-ионных ESS (см. Рис. 5), показывает, что стоимость собственно батарей с 2016 до 2030 г. уменьшится почти втрое.

Рис. 5. Снижение составляющей стоимости литий-ионных батарей, 2016 и 2030 Источник: IRENA «Electricity storage and renewables: Costs & Markets to 2030».
Рис. 5. Снижение составляющей стоимости литий-ионных батарей, 2016 и 2030 Источник: IRENA «Electricity storage and renewables: Costs & Markets to 2030».

Однако это не единственные факторы уменьшения стоимости BES. Эксперты из RMI (Rocky Mountain Institute) и Национальной лаборатории возобновляемой энергетики (NREL), США, исследуя, как солнечные on-grid системы с батареями будут конкурировать с традиционным электроснабжением, выяснили составляющую стоимость в США при применении PV-установок различной мощности для жилья без BES и с BES см. рис. 6. Отличие между системами постоянного тока и переменного тока определяет, сохраняет ли батарея энергию непосредственно с PV-панелей, или напряжение сначала преобразуется в источник питания переменного тока.

Системы с компонентами постоянного тока являются более эффективными там, где PV-энергия в основном используется в момент генерации, а системы с подключением к переменному току, как правило, более эффективны тогда, когда есть необходимость хранить PV-энергию и использовать ее в другое время либо продавать в сеть.

«Малые» системы (3 кВт / 6 кВт · ч) в основном покрывают первичные потребности в электрообеспечении жилья. Большая мощность (5 кВт / 20 кВт · ч) может обеспечить типичные суточные потребности в электричестве для семьи из 4-х человек и дополнительное резервирование питания в 4 раза дольше, чем система с малой мощностью.

По методике RMI и NREL учитывались все составляющие расходов на конец 2016 на проектные разработки и компоненты для жилых PV-систем, и моделировалась полная стоимость приобретения таких систем за исключением федерального инвестиционного налогового кредита (ИТК).

Несмотря на то, что емкость BES в «большой» системе в три раза выше, а время резервирования — вчетверо, общая стоимость в обоих случаях (AC- и DC-исполнение) примерно на 60% больше, чем «малой».

Постатейный расчет стоимости показывает, что затраты на аппаратное обеспечение составляют лишь 50% общей стоимости «малой» системы и примерно 60% расходов на установку с большей батареей. А остальное связано с большим количеством нетехнических расходов: разрешения, подключение к сети, расходы на противопожарные мероприятия и страхования, прибыльная маржа и тому подобное. Бюрократические обременения влияют не только на затраты на проект, но и на сроки его реализации.

Рис. 6. Смоделированная общая установленная стоимость и стоимость компонентов PV-систем для жилья с хранением в малом и большом аккумуляторе (2016 долл. США). Источник: RMI,
Рис. 6. Смоделированная общая установленная стоимость и стоимость компонентов PV-систем для жилья с хранением в малом и большом аккумуляторе (2016 долл. США). Источник: RMI, "The Economics of Load Defection".

Итак, хотя использование BES и других видов ESS пока считается едва ли не главным ключевым фактором по внедрению ВИЭ, очень существенной и дорогостоящей преградой к этому являются «мягкие» расходы, связанные с разрешительными и регуляторными барьерами, тарифной и налоговой политики . Кроме постоянного удешевления технических составляющих, существует огромный резерв для снижения общей стоимости установок с системами хранения, обусловлен административными, налоговыми и другими характеристиками рынка, препятствующих ускорению развертывания PV-систем с батареями и тормозят энергетическую транзицию.