Современные устройства накопления энергии, самые распространенные типы накопителей энергии

Основными критериями устройств накопления энергии, необходимыми для конкретного применения являются:

При выборе устройств накопления энергии следует учитывать следующие характеристики:

Электрические устройства хранения энергиии являются неотъемлемой частью телекоммуникационных устройств (сотовые телефоны, дистанционная связь, рации и т. д.), резервных систем питания и гибридных электромобилей в виде компонентов хранения (батарей, суперконденсаторов и топливных элементов).

Устройства для хранения энергии, электрические или тепловые, признаны основными технологиями экологически чистой энергии.

Долговременное хранение энергии имеет большой потенциал для мира, в котором энергия ветра и солнца преобладает над добавлением новых электростанций и постепенно вытесняет другие источники электроэнергии.

Ветер и солнце производят только в определенное время, поэтому им нужна дополнительная технология, которая поможет заполнить пробелы.

В мире, где доля периодического, сезонного и непредсказуемого производства электроэнергии растет и увеличивается риск десинхронизации с потреблением, хранение делает систему более гибкой, поглощая любые разности фаз между производством и потреблением энергии.

Накопители служат главным образом в качестве буфера и позволяют упростить управление и интеграцию возобновляемых источников энергии как в сети, так и в зданиях, предлагая определенную автономию при отсутствии ветра и солнца.

В системах с генераторами они могут сэкономить топливо и помочь избежать неэффективной работы генератора, обслуживая нагрузку в периоды низкой потребности в электроэнергии, когда генератор наименее эффективен.

За счет буферизации колебаний выходной мощности возобновляемых источников накопление энергии также может снизить частоту запусков генератора.

В ветро и дизельных системах с высокой проникающей способностью (где установленная ветровая мощность превышает среднюю нагрузку) даже очень небольшой объем накопителя резко снижает частоту запусков дизельного топлива.

Самые распространенные виды промышленных устройств хранения электроэнергии:

Электрохимические устройства накопления энергии

Батареи, в особенности свинцово-кислотные, остаются преобладающим устройством хранения энергии.

Многие конкурирующие типы батарей (никель-кадмиевые, никель-металлогидридные, литий-ионные, натриево-серные, металл-воздушные, проточные батареи) превосходят свинцово-кислотные батареи по одному или нескольким аспектам производительности, таким как срок службы, эффективность, плотность энергии, скорость заряда и разряда, характеристики в холодную погоду или необходимый объем технического обслуживания.

Однако в большинстве случаев их низкая стоимость киловатт-часа емкости делает свинцово-кислотные батареи оптимальным выбором.

Альтернативы, такие как маховики, ультраконденсаторы или водородные накопители могут стать коммерчески успешными в будущем, но в настоящее время встречаются редко.

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы в настоящее время представляют собой современный источник питания для всех современных бытовых электронных устройств. Объемная плотность энергии призматических литий-ионных батарей для портативной электроники увеличилась в два-три раза за последние 15 лет.

По мере появления нескольких новых приложений для литий-ионных аккумуляторов, таких как электромобили и системы накопления энергии, требования к конструкции и характеристикам элементов постоянно меняются и представляют собой уникальные проблемы для традиционных производителей аккумуляторов.

Таким образом, становится неизбежным высокий спрос на безопасную и надежную работу литий-ионных аккумуляторов с высокой энергией и высокой удельной мощностью.

Применение электрохимических устройств накопления энергии в энергетике:

Благодаря более высокой удельной мощности, низкой стоимости обслуживания, широкому диапазону температур и более продолжительному циклу эксплуатации по сравнению с вторичными батареями, суперконденсаторы привлекли значительное внимание исследователей за последнее десятилетие.

Они также обладают более высокой плотностью энергии по сравнению с обычными электрическими диэлектрическими конденсаторами. Накопительная емкость суперконденсатора зависит от электростатического разделения между ионами электролита и электродами с большой площадью поверхности.

Однако более низкая удельная энергия суперконденсаторов по сравнению с литий-ионными батареями является препятствием для их широкого применения.

Улучшение характеристик суперконденсаторов необходимо для удовлетворения потребностей будущих систем, от портативной электроники до электромобилей и крупного промышленного оборудования.

Хранение энергии сжатым воздухом

Криогенные накопители энергии

В Великобритании планируется построить хранилище энергии сжиженного воздуха мощностью 250 МВтч. Оно будет объединен с парком возобновляемых источников энергии и компенсирует их перебои.

Ввод в эксплуатацию запланирован на 2022 год. Криогенные накопители энергии будут работать совместно с парком Trafford Energy возле Манчестера, где часть производства электроэнергии обеспечивается фотоэлектрическими панелями и ветряными турбинами.

Это хранилище позволит компенсировать перебои в использовании этих возобновляемых источников энергии.

Принцип работы этой установки будет основан на двух циклах изменения состояния воздуха.

Электрическая энергия будет использоваться для забора воздуха и последующего охлаждения его до очень низких температур (-196 градусов), пока он не станет жидким. Затем онбудет затем храниться в больших изотермических резервуарах при низком давлении, специально приспособленных для этого использования.

Второй цикл состоится, когда возникнет потребность в электрической энергии. Криогеную жидкость нагревают с помощью теплообменника, чтобы продолжить испарение и вернуть его в газообразное состояние.

Испарение криогенной жидкости вызывает расширение объема газа, который вращает турбины, вырабатывающие электрическую энергию.

Кинетические устройства накопления энергии

Системы накопления энергии с маховиком используют входную электрическую энергию, которая сохраняется в виде кинетической энергии.

Хотя физика механических систем часто довольно проста (например, вращение маховика или подъем тяжестей в гору), технологии, которые позволяют эффективно и действенно использовать эти силы, особенно продвинуты.

Высокотехнологичные материалы, новейшие компьютерные системы управления и инновационный дизайн делают эти системы пригодными для использования в реальных приложениях.

Коммерческие системы ИБП с кинетическими накопителями состоят из трех подсистем:

Маховик может быть интегрирован с резервным генератором, что повышает надежность за счет прямого соединения механических систем.

Подробнее про эти устройства:

Высокотемпературный сверхпроводящий магнитный накопитель энергии (SMES) для электросетей:

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Села батарейка: что происходит на рынке сохранения энергии

В традиционной энергетике (ТЭС, АЭС, ГЭС) самой важной составляющей систем была турбина, которая преобразовывала энергию источника в механическую для ее дальнейшего применения. Однако при развитии возобновляемых ветряной и солнечной энергетики на первый план выходят накопители энергии, которые позволят эффективно сохранять полученную энергию. Автомобили будущего тоже не смогут обходиться без эффективных батарей.

Типы энергетических систем

Для захвата энергии, ее сохранения и дальнейшего использования доступны разнообразные технологии. Самыми распространенными считаются системы аккумулирования электрической и тепловой энергии. Такие системы бывают нескольких типов:

Наибольший темп роста хранения энергии за последнее десятилетие пришелся на электрические системы, такие как батареи и конденсаторы. Конденсаторы — это устройства, которые хранят электрическую энергию в виде заряда, накопленного на металлических пластинах. Когда конденсатор подключен к источнику питания, он накапливает энергию, а при отключении от источника высвобождает ее. Батарея же для хранения энергии использует электрохимические процессы. Конденсаторы могут высвобождать накопленную энергию с гораздо большей скоростью, чем батареи, поскольку для химических процессов требуется больше времени.

В системах хранения механической энергии используются базовые идеи физики, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую для хранения и затем преобразуют ее обратно в электрическую для потребления. Такие системы представляют собой большие гидроаккумулирующие плотины, механические маховики и накопители сжатого воздуха.

Накопление тепловой энергии позволяет хранить ее и использовать позже, чтобы сбалансировать потребность в энергии между дневным и ночным временем или при смене сезонов. Чаще всего это резервуары с горячей или холодной водой, либо расплавленными солями, ледяные хранилища и криогенная техника.

Используются обычно при хранении водорода. В них электрическая энергия применяется для выделения водорода из воды посредством электролиза. Затем газ сжимается и хранится для будущего использования в генераторах, работающих на водороде, или в топливных элементах. Этот метод является достаточно энергозатратным. Для конечного использования сохраняется всего 25% энергии.

В разных сферах промышленности и технологий используются различные типы аккумуляторов с отличающимся химических составом. Литий-кобальтовые батареи, более легкие и с высоким напряжением для быстрой зарядки, применяются в смартфонах и прочей бытовой технике. Более выносливые и габаритные литий-титанатные батареи устанавливают в общественном транспорте, в частности, в электробусах. На электростанциях используют малоемкие, но пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки.

30-летняя технология

Самыми популярными аккумуляторами энергии по-прежнему остаются литий-ионные. В 2021 году исполнилось 30 лет с момента выхода в продажу первых таких аккумуляторов Sony.

Первые прототипы литий-ионных батарей появились еще в 1980-е годы. Тогда физик Джон Гуденаф предложил использовать в батарейках кобальтат лития. В 2019 году он получил за свою идею нобелевскую премию.

В 2000-х годах с ростом производства электромобилей спрос на батареи резко вырос. Тогда в аккумуляторах начали применять железофосфат, который обеспечивает меньшую емкость, но может работать на более высоких токах и не выделяет кислород при высокой температуре. Все это делает аккумуляторы более безопасными, но не решает всех их проблем.

В чем минусы литий-ионных аккумуляторов

При перегреве батарея может взорваться. Для этого достаточно повреждения ее оболочки. Так произошло со смартфонами серии Samsung Galaxy Note 7, в которых из-за тесноты корпуса оболочка аккумулятора со временем перетиралась, внутрь попадал кислород, и устройство загоралось. Именно это побудило авиакомпании требовать перевозить литий-ионные батареи только в ручной клади.

Охлаждение и перегрев сильно влияют на параметры аккумулятора. Идеальной считается температура среды +20 °C. При любых отклонениях батарея отдает устройству меньший заряд.

В литий-ионных батареях невозможно хранить энергию годами. Литий-ионные ячейки в неактивном состоянии теряют по 3-5% заряда в месяц, то есть, треть заряда в год.

Литий-ионные батареи в неактивном состоянии подвержены старению. Их рекомендуют хранить заряженными до половины емкости.

Эксперименты в отрасли

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. Литий идеально подходит для этой роли: он обеспечивает оптимальное сочетание напряжения, нагрузки тока и энергетической плотности.

Самыми востребованными являются литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Они имеют напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости, чего достаточно для зарядки смартфонов. Другие виды литиевых батарей имеют меньшее напряжение, и запитать от них современный смартфон невозможно. Если же пытаться объединить батареи в ячейки, чтобы сделать их более мощными, то вырастут габариты.

Производители уже неоднократно пытались представить разработки-альтернативы литий-ионным батареям в смартфонах.

Так, в 2007 году американский стартап Leyden Energy решил использовать новый электролит и кремниевый катод для литий-ионных батареек. Это позволило увеличить устойчивость аккумуляторов к высоким температурам до 300 °C. Но компании так и не удалось создать аккумулятор со стабильными характеристиками — показатели энергоемкости и устойчивости менялись от экземпляра к экземпляру.

Стартап SolidEnergy, в который инвестировала GM, разрабатывает перезаряжаемые литий-металлические батареи. Они обладают удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми. Но главной проблемой литий-металлических аккумуляторов остается безопасность. Поскольку в их состав входит чистый металлический литий, он действует активнее, чем ионы лития, а это повышает риск возгорания. Компания разработала специальный электролит, снижающий эту опасность. Но в смартфонах и бытовой электронике таких батарей мы пока не увидим.

Toyota работала над серно-магниевыми батареями. Но оказалось, что их невозможно использовать более 50 циклов, так как емкость этих аккумуляторов после этого падает вдвое. Тогда в состав батареи внедрили литий-ионную добавку и довели срок ее службы до 110 циклов. Работы над аккумулятором продолжаются, и пока неясно, получится ли внедрить его в производство.

Компании, которые стремятся предложить аналог литий-ионных батарей, сталкиваются с трудностями.

Главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные.

Проблемы рынка

В 2021 году цена кобальта выросла на 40% из-за роста спроса со стороны производителей электромобилей. Основные месторождения кобальта находятся в Демократической Республике Конго. Однако в стране постоянно возникают перебои в цепочках поставок, а также зафиксированы случаи использования детского труда, что оттолкнуло многие компании.

Международное энергетическое агентство отмечает, что в 2020 году продажи электромобилей подскочили на 40%, а в первом квартале 2021 года они выросли вдвое по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.

Эндрю Миллер, директор по продуктам Benchmark Mineral Intelligence, говорит, что рынок пока наблюдает рост цен на кобальт, но к концу 2021 года может столкнуться с реальным дефицитом предложения.

Существует еще одна проблема, связанная с пандемией коронавируса и ее последствиями. В связи с сохраняющимся дефицитом чипов на глобальном рынке их также недополучают производители электромобилей.

Крупнейшие мировые автопроизводители признали дефицит микрочипов в начале 2021 года. Nissan, Honda и Ford были вынуждены сократить объемы выпускаемых автомобилей и закрыть некоторые свои заводы. Hyundai Motor был вынужден приостановить сборку автомобилей в Южной Корее. Позднее, в апреле, Ford и General Motors начали выпускать электромобили в некомплектном состоянии. Производители пообещали, что добавят нужную электронику в свои авто, когда появится такая возможность.

Гендиректор Tesla Илон Маск связал рост цен в цепочках поставок с удорожанием стоимости электромобилей Model 3 и Model Y. Однако, по его мнению, дефицит микрочипов продлится недолго.

Пути решения

В Китае появляется все больше электромобилей на альтернативных литий-железо-фосфатных аккумуляторах. Они дешевле и менее токсичные, однако имеют меньшую емкость. Их используют Tesla Model 3, китайский автопроизводитель BYD, а скоро начнет внедрять Volkswagen. Но пока на ЛЖФ-аккумуляторы приходится всего 14% рынка, а к 2030 году этот показатель составит от 15% до 20%.

Новая аккумуляторная батарея Tesla 4680 имеет в шесть раз большую мощность, чем предшественники, и в пять раз большую энергоемкость. При этом ее размер составляет всего 46х80 мм. Tesla решила проблему терморегулирования, создав конструкцию цилиндрической формы, и внедрила новые технологии, чтобы сократить путь прохождения энергии внутри конструкции.

Успешный гибрид

Пока ведутся разработки альтернатив литий-ионным аккумуляторам, компании ищут пути более эффективного сохранения энергии. Успешным вариантом использования усовершенствованных литий-ионных батарей стало их встраивание в гибридные энергетические системы.

В промышленной энергетике такие системы получили развитие в 2020-е годы. Они позволяют объединить преимущества нескольких способов аккумулирования и сохранения энергии. Одним из ярких примеров являются аккумуляторные станции Tesla.

Первую такую станцию построила Tesla в Южной Австралии в 2017 году. Строительство заняло всего три месяца. Компания обещала, что при превышении этого срока страна получит батарею бесплатно.

Южная Австралия получает энергию преимущественно из солнечных батарей и ветрогенераторов. Но иногда необходимо задействовать газогенераторы, подключенные к паровым турбинам, и вырабатывать недостающую часть энергии.

Аккумуляторная батарея Tesla накапливает энергию, когда она подается в сеть региона в избытке, а потом отдает ее обратно, когда возникает дефицит. Таким образом, потребность в газогенераторах отпадает.

Кроме того, батарея реагирует на перепады в электросети. Когда произошло внезапное отключение угольной электростанции Loy Yang A 3, станция Tesla среагировала на 4 секунды быстрее, чем резервный генератор частотного контроля и вспомогательных услуг (FCAS) в Квинсленде.

По расчетам чиновников, емкость батареи составляет около 2% от условной емкости всей сети, однако это дает 55% экономии на эксплуатационных расходах.

У системы есть и минусы. Станция включается всего на несколько минут, поэтому неизвестно, сколько циклов заряда выдержат ее батареи, прежде чем их придется заменить.

Тем не менее, в Австралии уже запланировано строительство подобных аккумуляторных систем в Южной Австралии, на Северной территории, в Квинсленде и Новом Южном Уэльсе.

Теперь Tesla собирается подключить гигантскую батарею к электросети Техаса. Компания строит станцию хранения энергии мощностью более 100 МВт в техасском Англтоне.

Батарея сможет обеспечивать энергией около 20 тыс. домов. Детали конструкции пока не разглашаются, а сам проект держится в секрете.

В Нидерландах в 2020 году была введена в эксплуатацию гибридная система накопления энергии из литий-ионных аккумуляторов производства швейцарской компании Leclanché и механических накопителей от голландского разработчика S4 Energy. Литий-ионные батареи имеют мощность 8,8 МВт и емкость 7,12 МВт·ч, они работают вместе с шестью маховиковыми системами KINEXT общей мощностью 3 МВт. Таким образом, объект аккумулирует 1 ГВт энергии, которую использует местный системный оператор TenneT для стабилизации энергосистемы. Маховики позволят продлить срок службы батарей как минимум до 15 лет.

В других странах подобные проекты находятся на стадии разработки и внедрения. Подробнее о них РБК Тренды расскажут в следующем материале.

Перспективы рынка аккумуляторов

Исследователи Европейского патентного ведомства и Международного энергетического агентства в 2020 году проанализировали зарегистрированные с 2000 по 2018 годы патенты на изобретения и разработки в сфере аккумуляторных батарей и накопителей энергии. Они сделали вывод, что за последние десять лет число патентов в сфере хранения электроэнергии росло существенно быстрее других сфер. Выяснилось также, что оно еще в 2011 году превысило число патентов из области батарей для мобильной бытовой электроники меньшей емкости.

Согласно подсчетам авторов работы, пристальное внимание к литий-ионным технологиям привело к тому, что с 2010 года аккумуляторы для электромобилей подешевели почти на 90%, а для стационарных установок в электроэнергетике — на две трети.

Девять из десяти крупнейших обладателей патентов — это азиатские компании. Семь из них во главе с Panasonic и Toyota базируются в Японии, а еще две — Samsung и LG — Electronics в Южной Корее. Единственный представитель другого региона — немецкий концерн Bosch — занял пятое место.

Источник

Системы накопления энергии: российский и зарубежный опыт

Вячеслав Михайлович ЗЫРЯНОВ НГТУ НЭТИ, к. т. н., с. н. с.
e-mail: vmzyryanov47@gmail.com
Наталья Геннадьевна КИРЬЯНОВА
НГТУ НЭТИ
e-mail: kiryanova-ng@ya.ru
Игорь Юрьевич КОРОТКОВ
НГТУ НЭТИ
e-mail: korotkov961@gmail.com
Глеб Борисович НЕСТЕРЕНКО Инженер «СНЭ»,
НГТУ НЭТИ
e-mail: g.nesterenko@estorsys.ru
Глеб Александрович ПРАНКЕВИЧ Инженер «СНЭ»,
НГТУ НЭТИ
e-mail: g.prankevich@estorsys.ru

V. ZYRYANOV
NSTU, CES
e-mail: vmzyryanov47@gmail.com
N. KIRYANOVA
NSTU
e-mail: kiryanova-ng@ya.ru
I. KOROTKOV
NSTU
e-mail: korotkov961@gmail.com
G. NESTERENKO
Еngineer ESS, NSTU
e-mail: g.nesterenko@estorsys.ru
G. PRANKEVICH
Еngineer ESS
e-mail: g.prankevich@estorsys.ru

Аннотация. Проведён анализ реализованных проектов систем накопления электроэнергии. Выполнен обзор актуальных областей применения накопителей энергии в энергосистемах разного типа, в том числе с возобновляемыми источниками и распределённой генерацией. Показано, что многие актуальные задачи выбора состава оборудования, организации структуры, ведения режимов, устойчивости и надёжности энергосистем с помощью накопителей энергии могут быть решены более эффективно, чем традиционными способами. Рассмотрен мировой и отечественный опыт применения различных технологий накопления электрической энергии.
Ключевые слова: накопители энергии, системы накопления электроэнергии, возобновляемая энергетика, области применения накопителей энергии.

Abstact. The present study deals the application of performed energy storage projects. A comparative analysis of relevant fields of energy storage unit’s application in the power systems including renewable and disturbed energy sources has been performed and it shows that the problems of unit commitment, structural organization, mode control, stability and reliability can be solved more efficiently with the help of energy storage systems as compared to traditional approach. World and Russian experience of using different energy storage systems have been observed.
Keywords: energy storage, energy storage system, renewable power engineering, energy storage applications.

Введение

Традиционная архитектура энергосистем с самого начала их формирования предопределялась одновременностью процессов производства и потребления электроэнергии и необходимостью поддерживать в любой момент времени баланс между вырабатываемой и потребляемой мощностью в условиях стохастического характера потребления.
В последние десятилетия в составе и структуре энергосистем происходят существенные качественные изменения. Прежде всего, это связано со значительной и неуклонно возрастающей долей генерации с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и развитием распределённой генерации. Учитывая трудно предсказуемый характер ВИЭ генерации, её полную зависимость от погодных условий, для гарантированного обеспечения баланса необходим соответствующий объём резервной мощности, который пока реализуется в основном за счёт традиционной генерации. Такой способ поддержания баланса имеет свои технические и экономические ограничения и не решает в целом проблему интеграции ВИЭ в состав традиционной энергосистемы.
Радикально проблема решается при условии широкого внедрения систем накопления энергии, что в настоящее время становится одним из ключевых направлений развития электроэнергетики. Способность накопителей разделять во времени процессы производства и потребления электроэнергии является предпосылкой к революционным преобразованиям в структуре и организации функционирования энергосистем, повышающей их надёжность и эффективность. Системы накопления открывают новые возможности для повышения качества управления режимами и улучшения экономических показателей функционирования энергетики на всех этапах производства, передачи и распределения электроэнергии [1, 2]. Наиболее эффективные накопители в последние десятилетия вышли на уровень практического применения.

Области применения систем накопления электрической энергии

Система накопления энергии является многофункциональным устройством, способным одновременно управлять активной и реактивной мощностью, быть фильтром высших гармоник, компенсировать асимметрии напряжения. Учитывая высокую стоимость накопителей, целесообразно совмещать в одном устройстве сразу несколько функций. Системы накопления позволяют решать сразу несколько задач:
1. Повышение эффективности электростанций на основе ВИЭ и их интеграция в традиционные энергосистемы. Располагаемая мощность электростанций на основе ВИЭ, прежде всего, ветровых и солнечных, сложно прогнозируема. Стохастический характер имеет и график нагрузки потребителей. Соблюдение баланса активной мощности приводит к ее недоиспользованию при избытке энергии или к ограничению нагрузки при её дефиците. Накопители энергии позволяют согласовывать графики генерации и нагрузки, обеспечивая полную загрузку электростанции по фактическому значению потока ветровой или солнечной энергии.
Управление энергосистемой усложняется при наличии в её составе значительной доли ветровой и солнечной генерации. Одно из наиболее эффективных решений этой задачи – применение накопителей энергии: создание технических комплексов «ВИЭ – СНЭ», позволяющих поддерживать баланс между генерацией и потреблением и оптимизировать управление потоками мощности от возобновляемых источников.
2. Автоматическое регулирование частоты и перетоков активной мощности. Любое нарушение баланса активной мощности приводит к изменению частоты в энергосистеме. Накопители позволяют автоматически поддерживать частоты в рамках нормативов. Они могут эффективно применяться в качестве резерва первичного и вторичного регулирования частоты [3]. Благодаря быстрому действию, накопители способны одновременно выполнять функции как первичного, так и вторичного резерва активной мощности. Они могут устранять дисбалансы активной мощности за несколько секунд, что коренным образом улучшит качество регулирования частоты при возникновении значительных перепадов.
Распределение систем накопления по узлам энергосистемы будет способствовать снижению аварийных перетоков при дисбалансе активной мощности и, тем самым, повышению максимально допустимых перетоков в контролируемых сечениях в нормальных режимах.
3. Выравнивание суточных графиков нагрузки. Накопитель энергии, обладающий достаточной энергоёмкостью и мощностью, способен выравнивать график нагрузки, накапливая электроэнергию в ночной период при её минимальной стоимости и возвращая в периоды максимального дневного потребления, когда цены на электроэнергию являются наиболее высокими. Выравнивание суточного графика позволяет уменьшить потребность в пиковой мощности энергосистемы и снизить перетоки мощности по линиям электропередач в периоды максимумов.
4. Предотвращение снижения напряжения. Изменение режима работы энергосистемы, аварии приводят к изменениям уровней напряжения в сетях.
Системы накопления, установленные в узлах нагрузки, способны в темпе переходных процессов поддерживать требуемый уровень напряжения и регулировать его по любому заданному закону. Это позволяет избежать отключения потребителей, снизить перетоки реактивной мощности по линиям электропередачи и понизить вероятность развития лавины напряжения.

Дома, оснащенные солнечными панелями
Источник: penfoldsroofing.com

5. Увеличение пропускной способности электропередач. Электроснабжение отдельных крупных потребителей или удалённых от объединённой энергосистемы промышленных районов зачастую осуществляется по линиям электропередач, относящимся к слабым связям. С ростом потребления появляется необходимость строительства дополнительных линий для покрытия нарастающего дефицита пиковой мощности или электростанции в центре потребления. Альтернативой является установка системы накопления на приёмном конце электропередачи, которая позволяет перераспределять передаваемую энергию во времени таким образом, чтобы сгладить график загрузки. Таким образом можно передавать бо́льшее количество энергии, не превышая максимально допустимое значение мощности, что позволяет отсрочить строительство дополнительных линий.
6. Повышение надёжности электроснабжения потребителей особой группы. Для потребителей электроэнергии особой группы прерывание электроснабжения даже на время работы автоматики может приводить к нарушению технологического процесса и значительному ущербу.
Потребители особой группы обеспечиваются аварийными дизель-­генераторными установками. За время пуска и подключения дизельных генераторов к системе электроснабжения, выбег электродвигателей возрастает настолько, что при самозапуске асинхронных двигателей могут возникать недопустимо большие токи, а синхронные двигатели могут выпасть из синхронизма. Дополнение системы электроснабжения накопителем энергии, способным обеспечить питание потребителей до момента включения аварийного генератора, позволяет существенно повысить надёжность электроснабжения.
7. Применение накопителей для подавления низкочастотных колебаний режимных параметров. В энергообъединениях существует опасность низкочастотных колебаний параметров режима в диапазоне частот 0,1–2 Гц [4]. При недостаточности демпфирующих свой­ств в энергосистеме есть риск «развития» колебательного процесса, что может приводить к нарушениям устойчивости и каскадному развитию аварии.
Многофункциональность систем накопления и её быстродействие позволяют подавлять такие колебания при первых признаках их появления [5].
8. Оптимизация установленной мощности генераторных агрегатов и снижение расхода топлива на автономных электростанциях. На большинстве автономных электростанций используются дизельные, газопоршневые и газотурбинные генераторные агрегаты, количество которых на каждой станции не превышает нескольких единиц. Во многих случаях их коэффициент использования установленной мощности имеет низкие значения (Киум = 0,25–0,35), что приводит к повышенному расходу топлива. Включение систем накопления в состав автономной электростанции позволяет уменьшить установленную мощность генераторных агрегатов (вплоть до среднего значения графика нагрузки), обеспечить их высокий коэффициент загрузки и существенно сократить расход топлива при условии сохранения максимальной мощности и объёма выработки электроэнергии.

Упавшая опора ЛЭП
Источник: glavnoe.ua

9. Сглаживание резко переменной нагрузки. Влияние потребителей большой мощности с резко переменным характером нагрузки на работу энергосистемы имеет ряд негативных последствий. Из-за колебаний мощности по питающим линиям электропередачи возрастают потери активной мощности, понижается уровень статической и динамической устойчивости энергосистемы, возрастает вероятность развития низкочастотных колебаний режимных параметров. Установка накопителя в узле нагрузки позволяет парировать все нежелательные отклонения режимных параметров и стабилизировать их в заданных пределах.
10. Повышение качества электроэнергии в узлах с резко переменной нагрузкой. В узлах энергосистемы с мощной резко переменной нагрузкой, которая приводит к скачкообразным изменениям величины и фазы напряжения, искажению формы кривой напряжения, неизбежно возникает проблема обеспечения качества электроэнергии. Быстродействующая система накопления способна обеспечивать основные показатели качества – поддерживать заданный уровень напряжения, подавлять высшие гармоники – при условии достаточности её ресурсов и наличии адаптивного управления.
11. Использование систем накопления для противоаварийного управления. Противоаварийная автоматика обеспечивает живучесть и надежность электроэнергетической системы, ограничивая развитие аварийных режимов и создавая условия для их прекращения. Учитывая быстродействие и многофункциональность, целесообразно использовать накопители в качестве средства противоаварийного управления [3].
При возникновении аварийной ситуации по сигналам от традиционной системы противоаварийной автоматики накопитель способен воздействовать на процессы в энергосистеме, выдавая или потребляя активную/реактивную мощность со временем отклика около 5 мс. Система накопления может быть эффективна для выполнения функций автоматики предотвращения устойчивости, ликвидации асинхронных режимов, ограничения снижения и повышения частоты, ограничения снижения и повышения напряжения, ограничения перегрузки оборудования. При этом «штатная» противоаварийная автоматика энергосистемы дублирует возложенные на накопитель функции в качестве резервной автоматики. В целом система противоаварийной автоматики становится более эффективной и надёжной за счёт дополнительных возможностей по влиянию на режимные параметры.
12. Повышение эффективности гибридных электростанций с системами накопления. В России на территории, не обслуживаемой единой энергосистемой, прежде всего, в Сибири и на Дальнем Востоке, эксплуатируется несколько тысяч автономных дизельных электростанций. На закупку и доставку топлива для этих электростанций затрачивается до 40 % региональных бюджетов. В то же время, использование ветровой и солнечной энергии позволяет в значительной мере изменить ситуацию. При наличии достаточных объёмов возобновляемых ресурсов энергии целесообразно строить гибридные электростанции, в которых комбинируются ветрогенераторы, солнечные установки и традиционные дизель-­генераторные агрегаты. Оснащение гибридных электростанций системами накопления энергии даёт возможность повысить их эффективность, так как появляется возможность оптимизировать потоки энергии и при необходимости хранить её невостребованные объёмы, полученные при избытке возобновляемой генерации.
13. Компенсация реактивной мощности и оптимизация её перетоков. Одна из четырёх основных функций систем накопления – управление реактивной мощностью. В узлах установки накопителя в дополнение к основной функции – управление активной мощностью – целесообразно возложить на них задачу управления реактивной мощностью, заменяя традиционные средства управления, регулирования и компенсации. Быстродействие накопителя и способность как потреблять, так и выдавать реактивную мощность позволяют применять его не только для регулирования нормальных режимов, но и для решения задач противоаварийного управления.
14. Замещение «вращающегося» резерва. Система накопления, обладая высоким быстродействием, лучше всего подходит для выполнения функции «вращающегося» резерва. Для этого можно использовать специализированный накопитель энергии, который переходит из состояния ожидания в режим выдачи мощности только при необходимости введения резерва в действие. В тех случаях, когда накопитель выполняет другие задачи, его также можно привлечь для «вращающегося» резерва, если у него имеется достаточный запас энергии.

Распределение систем накопления по узлам энергосистемы будет способствовать снижению аварийных перетоков при дисбалансе активной мощности

15. Защита генераторных агрегатов от резких изменений нагрузки. Резкие, скачкообразные изменения нагрузки значительной амплитуды в автономных, изолированных энергосистемах, а также работающих в островном режиме, могут приводить к аварийным отключениям газопоршневых агрегатов, которые являются самыми чувствительными к скачкам мощности генераторными агрегатами. В то же время такие генераторы по технико-­экономическим характеристикам наиболее привлекательны для автономных энергосистем предприятий нефтегазового сектора, как правило, не имеющих связи с объединённой энергосистемой.
Быстродействующие накопители за счёт сглаживания фронтов импульсов нагрузки способны кардинально решать описанную задачу, предотвращая аварийное отключение газовых генераторов [6]. Причём, для этого не требуется большая энергоёмкость накопителя.
16. Демпфирование нерегулярных колебаний активной мощности при помощи СНЭ. При проектировании и эксплуатации энергосистем необходимо поддерживать перетоки мощности по сечениям, исходя из условия обеспечения запаса статической устойчивости. Нерегулярные колебания перетоков между элементами энергообъединения появляются в результате несоответствия между генерацией и потреблением и имеют случайный характер. Чем выше амплитуда нерегулярных колебаний, тем ниже расчётный коэффициент запаса статической устойчивости. Снижение амплитуды нерегулярных колебаний при помощи накопителя позволяет увеличить переток по сечению.

Мировой опыт применения систем накопления электроэнергии

Для анализа практического применения систем накопления в энергосистемах стран мира использована база данных U.S. Department of Energy Global Energy Storage Database [7] по состоянию на конец 2019 года, рассмотрены проекты мощностью более 50 кВА.
По расчетной мощности накопителей энергии первое место занимает Китай. Это связано с тем, что в стране широко применяются гидроаккумулирующие электростанции, обладающие большой энергоёмкостью. Однако, по количеству реализованных проектов различного типа накопителей энергии безоговорочным лидером являются Соединённые Штаты Америки. Число проектов более чем в 5 раз превышает аналогичный показатель Китая. В США основным типом накопителей энергии являются электрохимические батареи. Их число составляет практически 80 % от всех видов накопителей по стране. Высокий спрос на электрохимические накопители энергии в фермерских хозяйствах США делает их наиболее доступными и обеспечивает стремительное развитие данного типа накопителей энергии.
Анализ систем накопления по типам представлен в таблице 1.
На долю гидроаккумулирующих электростанций приходятся наибольшие суммарные значения мощности и энергоёмкости.
Гидроаккумулирующие электростанции обычно рассматривают несколько обособленно от других систем не только из-за их бόльшей мощности и энергоёмкости, но и в связи с тем, что они являются традиционным решением и широко применяются в энергосистемах многих стран мира. Кроме того, мобильность и быстродействие гидроаккумулирующих электростанций несопоставимы с наиболее актуальными в настоящее время электрохимическими накопителями.

Таблица 1. Сравнительные показатели основных типов СНЭ

В таблице 2 показано распределение электрохимических систем накопления c разными типами накопительных элементов по величине суммарной мощности и суммарной энергоёмкости.
На долю литий-­ионных накопителей приходятся наибольшие суммарные мощности и энергоёмкости. В то же время их средние значения мощности и энергоёмкости относительно невелики по сравнению с проектами накопления других типов. По мощности и энергоёмкости среди действующих проектов систем накопления лидируют гидроаккумулирующие системы, по количеству проектов – новейшие типы накопителей, среди которых преобладают электрохимические (754 проекта – 60 % всех проектов).

Таблица 2. Сравнительные показатели разных типов электрохимических СНЭ

Среди электрохимических накопительных элементов наиболее широко применяются литий-­ионные аккумуляторы (488 проектов – 67 % от общего числа систем накопления с электрохимическими элементами). Из них чаще всего используются литий-­железо-фосфатные аккумуляторы (96 проектов – 64 % от общего числа накопителей с литий-­ионными элементами), широкое применение нашли литий-­титанатные (21 проект – 14 %), литий-­полимерные (20 проектов – 14 %) и литий-­никель-марганец-­кобальт-оксидные аккумуляторы (9 проектов – 6 %).
Активное развитие и освоение технологий литий-­ионных аккумуляторов способствуют значительному снижению себестоимости систем накопления.

Отечественный опыт применения систем накопления электроэнергии

Бурный рост интереса к тематике систем накопления в отечественной научной среде и промышленности начался в конце 60-х – начале 70-х годов XX века, что соответствовало аналогичным процессам в мировом научно-­техническом сообществе. Однако в конце 80-х – начале 90-х годов подавляющее большинство научно-­исследовательских и опытно-­конструкторских работ в области накопления энергии было прекращено. Экономическая ситуация в стране не способствовала развитию этого направления энергетики.
За последние десятилетия ряд наиболее эффективных технологий накопления и хранения энергии достигли уровня практического применения в энергетике. Одновременно с этим значительно снизилась стоимость основных компонентов (аккумуляторов, силовых преобразователей), что, в свою очередь, повысило рентабельность проектов. Потенциально высокие экономические показатели резко увеличили интерес к тематике, в том числе в России. В настоящее время ряд отечественных предприятий и научных школ проводят активную исследовательскую и производственную деятельность по освоению и внедрению накопителей энергии.
В России реализовано 6 проектов систем накопления [7], в том числе три гидроаккумулятора станции. В настоящее время в России эксплуатируются: Загорская ГАЭС‑1, Кубанская ГАЭС и Зеленчукская ГЭС-ГАЭС. В октябре 2019 г. «РусГидро» сообщило о начале работ по выравниванию здания Загорской ГАЭС‑2, во время строительства которой в 2013 году произошла осадка здания. Три проекта систем накопления с электрохимическими накопителями: два накопителя на литий-­ионных аккумуляторах (мощностью 1,5 МВт каждый) в Санкт-­Петербурге и в Сочи, один – на цинк-бромных аккумуляторах (мощностью – 25 кВт) в Москве. Но в базе данных [7] отражена неполная информация о количестве реализованных проектов накопителей энергии в РФ. Актуальная информация представлена в таблице 3.

Таблица 3. Реализованные проекты СНЭ в РФ (без учёта ГАЭС)

В 2019 г. компанией ООО «Системы накопления энергии» и сотрудниками Новосибирского государственного технического университета реализованы два проекта [8]: накопители установлены в составе автономных солнечно-­дизельных электростанций в поселках Мугур-­Аксы и Кызыл-­Хая (Республика Тыва). Мощности и энергоемкости накопителей равны 400 кВА / 460 кВт·ч (рис. 1) и 100 кВА / 250 кВт·ч, соответственно.
Кроме того, несколько проектов в нашей стране находятся в процессе реализации. На Кош-­Агачской СЭС, работающей в составе ЕЭС России, планируется установка «сетевой» системы энергоёмкостью 584 кВт∙ч производства французской компании Saft. На Верхней и Нижней Бурзянских СЭС, также работающих в составе ЕЭС России, проводятся пусконаладочные работы на двух накопителях суммарной мощностью 4000 кВА и энергоёмкостью 8000 кВт∙ч отечественного производства (ООО «Лиотех-­Инновации», ООО «СНЭ») (рис. 2). Завершены испытания накопительных систем мощностью 1200 кВА энергоёмкостью 400 кВт∙ч, реализующей алгоритм сглаживания резких изменений мощности нагрузки и предотвращающей отключения газопоршневых установок при резких сбросах и набросах нагрузки [6] (СНЭ разработана и произведена компанией ООО «Системы накопления энергии» и предназначена для энергоцентра, питающего буровые установки на нефтегазовом месторождении).

Рис. 1. СНЭ мощностью 400 кВА
энергоёмкостью 460 кВт·ч в посёлке Мугур-­Аксы Рис. 2. СНЭ мощностью 2000 кВА
энергоёмкостью 4000 кВт·ч на Бурзянской СЭС

Заключение

Мировой рынок систем накопления электроэнергии интенсивно развивается: совершенствуются технологии, накапливается опыт практического применения. Системы позволяют принципиально по-новому решать многие проблемы управления нормальными и аварийными режимами энергосистем. Наиболее интенсивно развиваются электрохимические накопители с литий-­ионными аккумуляторными батареями, которые за последнее десятилетие подешевели вдвое, что заметно сказалось на их инвестиционной привлекательности.
Анализ мирового опыта применения систем накопления в электроэнергетике говорит о значительном отставании России от ряда стран, в которых технологии накопления получили практическую реализацию. В современных реалиях наибольший технический и экономический эффект от применения систем накопления в России при достигнутом уровне технологий может быть получен в изолированных энергосистемах с распределённой генерацией, в микроэнергосистемах, в Smart и Micro Grids (в том числе с возобновляемыми источниками энергии), на автономных электростанциях нефтегазового сектора экономики, потребители которых в основном имеют стохастическую резко переменную нагрузку, мощность которой соизмерима с мощностью электростанций. Преобладающая доля выработки электроэнергии на таких электростанциях производится дизельными, газопоршневыми и газотурбинными установками. Требования к накопителям в этих случаях по мощности и энергоёмкости достаточно невысоки и вполне реализуемы в настоящее время, что даёт возможность накопить опыт их эксплуатации, отработать алгоритмы и законы управления ими. По мере отработки технологии и неизбежном снижении себестоимости систем накопления будут активно востребованы и в «большой» энергетике.

Источник