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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.