Электромобили и перспективные системы хранения энергии в электрической сети

14

электрозарядная инфраструктура

Электромобили 
и перспективные системы 
хранения энергии 
в электрической сети

Электромобили

являются

ключом

к

переходу

на

экологически

чистый

транс

–

порт

в

будущем

. 

По

имеющимся

оценкам

, 

к

 2050 

году

количество

владельцев

электромобилей

в

мире

превысит

 800 

миллионов

, 

а

годовое

потребление

элек

–

троэнергии

составит

около

 2400 

ТВт∙ч

. 

Исследования

показывают

, 

что

в

услови

–

ях

повышения

технико

–

экономической

привлекательности

аккумуляторных

ба

–

тарей

, 

наличия

доступной

инфраструктуры

для

двустороннего

взаимодействия

между

автомобилями

и

электрической

сетью

и

обес

печения

соответствующей

политической

поддержки

электромобили

могут

выступать

в

энергосистеме

в

роли

оборудования

для

хранения

энергии

с

низкой

маржинальной

стоимо

–

стью

и

стать

одним

из

наиболее

важных

ресурсов

гибкого

регулирования

в

системе

с

преобладанием

экологически

чистых

источников

энергии

. 

П

о  самым  скромным  подсчетам, 

к  2050  году  электромобили  смогут 

обеспечить  2,3  ТВт  накопленной 

энергии, а доля их мощности во всем 

оборудовании  для  хранения  энергии  составит 

более 60%. Они способны сглаживать кратко-

срочные  колебания  выработки  и  потребления 

энергии, а также формировать систему накоп-

ления  энергии  пирамидальной  формы  вместе 

с  другими  устройствами,  расположенными  на 

объектах генерации и в электрической сети.

В  последнее  десятилетие  индустрия  элек-

тромобилей  продемонстрировала  стремитель-

ное  развитие.  С  2008  по  2018  год  количество 

владельцев электромобилей во всем мире уве-

личилось с 3 тысяч до более 5,1 миллиона при 

среднегодовом темпе роста более 200%. Одна-

ко доля электромобилей относительно традици-

онного  транспорта  была  по-прежнему  невысо-

кой — всего около 0,5%.

Можно  спрогнозировать,  что  в  будущем 

многие  страны  начнут  препятствовать  про-

даже  автомобилей  на  нефтяном  топливе,  при 

этом  стоимость  аккумуляторных  батарей  для 

электромобилей  будет  снижаться  быстрыми 

темпами. С учетом этого все основные научно-

исследовательские  институты  предсказывают, 

что  количество  электромобилей  будет  стре-

мительно расти. По оценкам Международного 

энергетического  агентства  (IEA),  к  2030  году 

количество 

владельцев 

электромобилей 

в  мире  может  достигнуть  250  миллионов  (из 

них 100 миллионов в Китае), а к 2050 году — 

1 миллиарда. Основываясь на модели распро-

странения инноваций, Институт экономических 

и технологических исследований GEIDCO про-

гнозирует, что к 2050 году только в Китае коли-

чество транспортных средств, работающих на 

новой энергии, превысит 400 миллионов штук. 

За  вычетом  водородных  и  гибридных  автомо-

билей  доля  чистых  электромобилей  составит 

по крайней мере 300 миллионов. При этом во 

всем  мире  только  по  самым  скромным  оцен-

кам  будет  находиться  в  эксплуатации  более 

800 миллионов таких машин.

АНАЛИЗ

ВЛИЯНИЯ

ЭЛЕКТРО

–

МОБИЛЕЙ

НА

ЭНЕРГОСИСТЕМУ

С быстрым ростом количества электромобилей 

наблюдается  их  большее  влияние  на  энерго-

систему. В 2018 году общий мировой спрос на 

электроэнергию для электромобилей составил 

приблизительно  26  ТВт∙ч,  что  эквивалентно 

примерно  четверти  общего  электропотребле-

ния в Пекине. Но эта цифра будет расти, а вме-

сте с ней и влияние на сеть. Предполагается, 

что  к  2050  году  потребление  электроэнергии 

для  зарядки  электромобилей  во  всем  мире 

составит 2400 ТВт∙ч, или около 4% от общего 

потребления. Если не принимать никаких мер, 

то  концентрированная  зарядка  электротранс-

порта значительно увеличит пиковую нагрузку 

сети, что означает более высокие требования 

к  мощности  и  безопасной,  стабильной  работе 

системы.

Учитывая  различия  в  способах  взаимодей-

ствия  и  свойствах  электромобилей  и  энерго-

системы, зарядка может осуществляться в трех 

вариантах: неупорядоченная зарядка, упорядо-

ченная зарядка и зарядка по принципу V2G.

15

Неупорядоченная

зарядка

Режим  неупорядоченной  зарядки  предполагает, 

что  все  электромобили  заряжаются  в  соответствии 

с имеющимся спросом без какой-либо связи со специ-

альной политикой цен на электроэнергию. Для элек-

тромобилей  как  транспортного  средства  в  первую 

очередь  необходимо  иметь  возможность  выполнять 

транспортные  функции.  Режим  зарядки  в  основном 

определяется условиями использования автомобиля, 

в том числе протяженностью пути, временем в дороге 

и периодом зарядки.

Если взять в качестве примера Китай, то согласно 

имеющимся оценкам к 2050 году в стране будет на-

ходиться 300–400 миллионов электромобилей, а су-

точная потребность в электроэнергии для транспорта 

составит около 2,5 ТВт или 6,5% от общего спроса на 

электроэнергию во всей энергосистеме. Для неупоря-

доченной зарядки потребность в мощности может до-

стигнуть около 380 ГВт, что составляет около 15% от 

максимальной  годовой  нагрузки.  Основное  негатив-

ное влияние такого режима зарядки на электрическую 

сеть заключается в том, что к максимальной нагрузке 

будет добавлено около 100 ГВт. Как следствие, раз-

ница между пиковым и минимальным значением по-

требления возрастет примерно на 10%.

Упорядоченная

зарядка

Режим  упорядоченной  зарядки  предполагает  ис-

пользование  политики  цен  на  электроэнергию,  тех-

нологии  управления  зарядкой  и  других  средств  для 

оптимизации режима зарядки и мотивирования вла-

дельцев  электротранспорта  производить  ее  в  нуж-

ное время для снижения расходов на электричество 

и  уменьшения  влияния  на  сеть.  Статистика  показы-

вает,  что  среднее  время  вождения  автомобиля  со-

ставляет всего 4% от его срока службы, то есть время 

нахождения на стоянке намного больше, чем время 

в пути. Таким образом, выбор времени зарядки и регу-

лирование ее мощности не повлияет на потребности 

водителей  в  поездках,  что  дает  огромное  простран-

ство  для  оптимизации  периода  зарядки.  Следова-

тельно, для электромобилей есть высокий потенциал 

регулирования спроса на электроэнергию.

В  настоящее  время  количество  электромобилей 

невелико, и их групповая зарядка мало влияет на энер-

госистему. Страны повсеместно используют политику 

сниженных цен на электроэнергию в зависимости от 

времени ее использования, чтобы побудить пользова-

телей электромобилей производить зарядку при ми-

нимальной  нагрузке  на  сеть.  Когда  электромобилей 

станет больше, ценообразование на электроэнергию 

будет  осуществляться  по  фиксированным  периодам 

времени. Таким образом, при повсеместной зарядке 

в момент переключения цены на электроэнергию на-

грузка энергосистемы будет резко увеличиваться.

Под воздействием ценового предложения на элек-

троэнергию, которое достаточно точно отражает теку-

щие выработку и потребление в энергосис теме, поль-

зователи электромобилей могут стать полноценными 

участниками рынка электроэнергии. Таким способом 

можно эффективно решить проблему традиционного 

подхода, когда цена на электроэнергию дифференци-

рована по времени суток. С предварительным усло-

вием  удовлетворения  спроса  на  поездки  и  с  учетом 

динамических  ограничений  энергосистемы  пользо-

ватели электромобилей могут снизить стоимость за-

рядки  при  одновременном  уменьшении  колебаний 

нагрузки в сети. Это значительно улучшает эксплуа-

тационные характеристики системы. По сути, реали-

зуется  «беспроигрышный»  вариант  взаимодействия 

между  отдельными  пользователями  электротранс-

порта  и  электрической  сетью.  Расчеты  на  примере 

Китая  показывают,  что  к  2050  году  разница  между 

пиковыми и минимальными значениями потребления 

может быть уменьшена на 15%. Таким образом, при 

правильном  подходе  оптимизированный  электромо-

биль представляет собой регулируемую нагрузку, не 

оказывающую негативного влияния на энергосистему.

Принцип

 V2G

Принцип V2G (Vehicle-to-grid, «автомобиль в сеть») 

предполагает двусторонний обмен энергией и инфор-

мационное взаимодействие между электромобилями 

и  электрической  сетью.  В  период  пиковой  нагрузки 

электромобили  могут  разряжаться  для  поддержки 

энергосистемы, а в период минимума нагрузки — за-

ряжаться для восполнения энергии, использованной 

во время путешествий и в пиковый период.

Для  реализации  принципа  V2G  необходимы  три 

условия. Первое из них — это отработанная техно-

Электромобили

 Nissan 

и

 Toyota 

и

их

зарядные

системы

№

 3 (66) 2021

16

логия производства аккумуляторных батарей и сни-

жение их стоимости. С технологической точки зрения 

владельцы  автомобилей  больше  не  будут  беспоко-

иться  о  рабочем  ресурсе  и  сроке  службы  батарей. 

Более того, нормированная стоимость электроэнер-

гии  (LCOE)  при  использовании  режима  V2G  ниже, 

чем разница в цене зарядки и разрядки. Это делает 

режим  V2G  выгодным  для  участвующих  пользова-

телей  электромобилей.  Второе  условие  реализа-

ции принципа V2G — это политическая поддержка, 

которая  предполагает  рыночную  торговлю  электро-

энергией  или  механизм  вспомогательных  услуг. 

Электромобили должны быть допущены к прямому 

или косвенному участию в торговле, а принцип V2G 

должен обеспечить прибыль для участников. В неко-

торых странах существует развитая система рынка 

электроэнергии. Там можно ожидать, что пользова-

тели электромобилей будут коллективно продавать 

энергию через поставщиков услуг зарядки или вирту-

альные электростанции. Третье условие реализации 

принципа  V2G  заключается  в  хорошо  налаженной 

инфраструктуре, которая способна обеспечить дву-

сторонний  обмен  электроэнергией  и  информацией 

между  сетью  и  электромобилями,  а  также  возмож-

ность  унифицированного  планирования  и  скоорди-

нированного контроля над транспортными средства-

ми. Исследования показывают, что соответствующие 

технологии  не  создают  принципиальных  препят-

ствий: доступны высокоуровневые продукты в части 

зарядных устройств, способных к двустороннему об-

мену  энергией,  и  единых  стандартных  протоколов, 

необходимых  для  обмена  информацией  и  сетевой 

безопасности. Много исследований было проведено 

в области оптимизации технологии управления дис-

петчеризацией электросетей с учетом особенностей 

электромобилей. Ожидается, что за счет интеграции 

энергетических,  информационных  и  транспортных 

сетей  инфраструктурные  условия  для  обеспечения 

технологии V2G будут доступны уже в краткосрочной 

перспективе.

Литий-ионные  аккумуляторные  батареи  характе-

ризуются коротким сроком службы и высокой стоимо-

стью.  Это  основные  факторы,  препятствующие  раз-

витию технологии V2G. В соответствии с тенденцией 

к  сокращению  стоимости  литий-ионных  аккумулято-

ров и с учетом спроса на электромобили в будущем 

ожидается, что к 2030 году общая выработка энергии 

такими аккумуляторами достигнет 10 ТВт∙ч, стоимость 

их производства снизится примерно до 150 долларов 

США за кВт∙ч (около 1000 юаней), а стоимость выра-

ботанной  ими  электроэнергии  в  течение  всего  жиз-

ненного  цикла  составит  около  0,06–0,075  долларов 

США за кВт∙ч (около 0,4–0,5 юаня). Принимая во вни-

мание другие стоимостные факторы (такие как блок 

коммутации электропитания, установка, эксплуатация 

и техническое обслуживание), можно сделать предва-

рительное заключение о том, что с 2030 года для тех-

нологии  V2G  преимущественно  будут  доступны  все 

необходимые условия и новые электромобили смогут 

постепенно  начать  участвовать  в  процессе  обмена 

энергией с электрической сетью.

ВКЛЮЧЕНИЕ

ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

В

СИСТЕМУ

ХРАНЕНИЯ

ЭНЕРГИИ

В

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

СЕТИ

Потребность

в

накопителях

для

системы

с

высокой

долей

чистой

энергии

По мере развития технологий и ускорения пере-

хода к чистой энергии все более важную роль будут 

играть накопители. Они способны решить проблему 

Система

 Vehicle-to-Grid 

производства

 Enel Group 

позволяет

передавать

энергию

от

электромобиля

обратно

в

сеть

ЭЛЕКТРОЗАРЯДНАЯ 

ИНФРАСТРУКТУРА

17

нестабильности производства новой энергии и сде-

лать систему более гибкой, став основным средством 

уравновешивания спроса и предложения. В энерго-

системе накопители энергии в разных узлах выпол-

няют  различные  функции.  Накопление  энергии  на 

стороне генерации может подавлять колебания вы-

ходной мощности, покрывать пиковую нагрузку, регу-

лировать частоту в системе и стабилизировать про-

цессы передачи и потребления. Накопители в узлах 

электрической сети позволяют снизить потребность 

в резервировании на объектах передачи и распреде-

ления  электроэнергии,  повысить  устойчивость  сис-

темы  и  обеспечить  наличие  дополнительной  мощ-

ности.  Накопители  энергии,  установленные  в  узлах 

потребления,  способны  смещать  пиковую  нагрузку, 

управлять спросом, обеспечивать качество электро-

энергии  и  более  эффективно  подавлять  колебания 

нагрузки, поскольку они находятся в более электри-

чески близкой точке (относительно устройств, распо-

ложенных в сети и на объектах генерации).

Основная  функция  электромобилей  заключается 

в удовлетворении спроса на передвижение. В связи 

с этим время их использования как накопителей в уз-

лах  потребления  является  случайным.  Таким  обра-

зом, анализируя техническую реализуемость, можно 

увидеть,  что  технология  V2G  больше  подходит  для 

смещения  пиковой  нагрузки,  управления  спросом, 

регулирования частоты системы и обеспечения каче-

ства электроэнергии. Данная технология не приспосо-

блена для увеличения выдаваемой мощности новых 

источников  энергии,  отслеживания  плана  производ-

ства  электроэнергии  и  сглаживания  колебаний  при 

выработке.

Позиционирование

системы

накопления

энергии

и

электромобилей

Участие электромобилей в технологии V2G экви-

валентно включению в узлы потребления большо-

го количества распределенного оборудования для 

хранения  энергии  с  низкой  предельной  себестои-

мостью.  Прогнозируется,  что  к  2050  году  мировой 

спрос на временные накопители энергии составит 

около 2–3 ТВт. Если все объекты для энергетиче-

ской  инфраструктуры  (включая  генерацию  и  элек-

трическую сеть) будут построены инвесторами, то 

общий объем инвестиций составит 1,6–2,3 трилли-

она долларов США, при этом более 60% затрат бу-

дет приходиться на батареи. К указанному времени 

количество  владельцев  электромобилей  во  всем 

мире  превысит  800  миллионов.  Если  потенциаль-

ные  мощности  от  накопления  энергии  можно  бу-

дет эффективно использовать, то инвестиционные 

вложения в батареи будут сохранены. В условиях 

политической  поддержки  и  наличия  качественных 

аккумуляторов  предприятия  электросетевого  ком-

плекса должны обеспечить обширную инфраструк-

туру V2G, чтобы реализовать двусторонний обмен 

энергией,  информационное  взаимодействие  и  оп-

тимизированное  управление  процессом.  Соглас-

но  расчетам,  40%  электромобилей,  участвующих 

в процессе V2G (при интенсивности участия в 20%), 

способны обеспечить мощность до 2,3 ТВт (в тече-

ние 3 часов, то есть примерно 7 ТВт∙ч электроэнер-

гии), что эквивалентно виртуальной облачной стан-

ции  хранения  энергии  сверхбольшой  мощности, 

позволяющей  сэкономить  более  500  миллиардов 

долларов США инвестиций в накопители.

С  точки  зрения  структуры,  накопление  энергии 

электромобилями  в  узлах  потребления  станет  осно-

вой системы хранения энергии в электрической сети. 

В будущем накопители (в основном, электромобили), 

установленные у потребителей, будут иметь большое 

значение  суммарной  накопляемой  мощности  и  ши-

рокое  распространение,  а  их  доля  во  всей  сис теме 

накоп ления энергии достигнет 50–60%. Из-за случай-

ного  времени  подключения  электромобилей  к  сети 

энергосистема нуждается в масштабном накоплении 

энергии  в  узлах  ее  производства,  передачи  и  рас-

пределения.  Это  позволит  обеспечить  стабильный 

процесс передачи и потребления энергии, надежное 

электроснабжение  и  безопасную  работу  электриче-

ской  сети.  По  прогнозам,  накопление  энергии  в  уз-

лах генерации составит 20–30%, а в узлах передачи 

и распределения — 10–20%.

С учетом существующей потребности в строитель-

стве  ожидается,  что  электромобили  не  будут  играть 

значительную  роль  в  системе  хранения  энергии  до 

2030 года. Строительство системы хранения энергии 

всегда тесно связано с процессом ее передачи. Когда 

экологически чистая энергия занимает сравнительно 

небольшую  долю  относительно  выработки  традици-

онных источников, для удовлетворения потребностей 

системы достаточно строительства определенного ко-

личества накопителей энергии в узлах электрической 

сети. К таким устройствам относятся типовой электро-

химический накопитель энергии и накопитель с накач-

кой тока.

По  мере  увеличения  доли  новой  энергии  нако-

пление в узлах сети уже неспособно обеспечить не-

обходимую  гибкость  системы.  В  узлах  генерации 

электроэнергии  накопители  необходимы,  чтобы  ста-

билизировать случайную и нестабильную выработку 

возобновляемых источников энергии на основе ветра 

и солнца. Системе с высокой долей и даже на 100% 

состоящей  из  чистой  энергии  требуется  более  мас-

штабное  накопление  энергии  в  узлах  потребления. 

Перед широким внедрением концепции V2G необхо-

димо  использовать  преимущества  всеобщего  нако-

пления энергии в узлах ее генерации, создать модель 

накопления энергии и направить усилия на развитие 

различных  новых  типов  накопителей,  в  том  числе 

электрохимических. Также следует уделить внимание 

тестированию политики поддержки и бизнес-моделей, 

активировать  и  стимулировать  развитие  производ-

ственной цепочки накопления энергии с учетом эко-

логических требований, а также создать условия для 

крупномасштабного  внедрения  концепции  V2G.  Все 

перечисленное позволит построить систему накопле-

ния с высокой долей чистой энергии.  

Лицензированный

перевод

статьи

, 

опуб

ликованной

в

жур

–

нале

 Global Energy Interconnection Information — 

офици

–

альном

издании

Организации

по

развитию

и

сотрудниче

–

ству

в

облас

ти

глобального

объединения

энергосистем

(Global Energy Interconnection Development and Cooper

а

tion 

Organization, GEIDCO).

№

 3 (66) 2021