Накопители электроэнергии. Основные направления использования в электросетевом комплексе

Page 1

Page 2

накопители электроэнергии

Рис

. 1.

Прогноз

совокупной

установленной

мощности

накопите

лей

энергии

мире

до

2040

года

Источник

: BloombergNEF

1200

1000

800

600

400

200

2018

ГВт

2026

2038

2020

2028

2040

2022

2034

2030

2024

2036

2032

Накопители электроэнергии.
Основные направления
исполь зования
в электросетевом комплексе

мая

2019

года

вследствие

аварии

отключился

высоковольтный

кабель

со

единяющий

Великобританию

Францию

из

энергетической

системы

одномо

ментно

выпало

около

ГВт

активной

мощности

Частота

системы

снизилась

до

49,63

Гц

что

заставило

системного

оператора

предпринять

определенные

шаги

по

восстановлению

частоты

системы

до

допустимых

значений

Первыми

на

изменение

баланса

системе

отреагировали

динамические

агрегаторы

нако

пителей

электроэнергии

(

НЭ

хотя

обычно

при

подобных

незапланированных

отключениях

генерирующих

мощностей

стоимость

электроэнергии

на

балансо

вом

рынке

резко

растет

этот

раз

том

числе

благодаря

участию

процес

се

НЭ

рост

был

незначительный

Следом

за

НЭ

работу

включились

резерв

ные

дизельные

газо

поршневые

станции

следующего

уровня

поддержания

частоты

данной

статье

мы

рассмотрим

различные

механизмы

поддержания

стабильной

работы

энергосистемы

той

плоскости

которая

касается

непосред

ственно

участия

НЭ

работе

сети

Елпидифоров

руководитель Электро-

сетевого отдела компа-

нии FCM Consulting ltd.,

Великобритания

о прогнозам агентства

Bloomberg, суммарная

мощность установлен-

ных в мире накопителей

энергии (НЭ) к 2040 году превысит

1000 ГВт (рисунок 1).

Это связано с переходом на

безуглеродную и децентрализо-

ванную электроэнергетику, что,

в свою очередь, толкает вниз се-

бестоимость как ВИЭ-генерации,

так и НЭ. На рисунке 2 приведена

прогнозируемая стоимость ли-

тий-ионных аккумуляторных ба-

тарей (около 62 долл. за 1 кВт·ч

Прочие страны
Южная Корея
Япония

Великобритания
Австралия
Франция

Юго-Восточная Азия
Латинская Америка
Германия

Индия
США
Китай

к 2030 году), при этом усреднен-

ная приведенная стоимость про-

изводства электроэнергии тради-

ционных видов ВИЭ-генерации,

таких как ветер и солнце, также

будет снижаться (рисунок 3).

В Великобритании, по данным

на апрель 2020 года, к сети было

подключено НЭ суммарной мощ-

ностью 1 ГВт.

Еще 1,3 ГВт находятся на

различных стадиях строитель-

ства. НЭ суммарной мощностью

в 5,76 ГВт получили разрешение

на строительство и еще 6,56 ГВт

находятся в процессе получения

разрешений на строительство

и условий технологического при-

соединения к сетям.

Речь идет о суммарной мощно-

сти НЭ в 14,7 ГВт в системе, где

средняя потребляемая мощность

сети составляет около 34 ГВт.

В основном, суммарная мощ-

ность отдельных НЭ не превыша-

ет 50 МВт, что обуславливается,

в первую очередь, национальным

законодательством, которое по-

зволяет получать разрешение на

строительство объектов мощно-

стью не более 50 МВт по упро-

щенной схеме только от муници-

пальных властей.

Page 3

Рис

. 2.

Прогнозируемая

стоимость

литий

ионных

аккумуляторных

батарей

до

2030

года

Источник

: BloombergNEF

1400

1200

1000

800

600

400

200

2010

Долл. за 1 кВт·ч

2015

2020

2030

2025

Реальные цены

Прогнозируемые цены

Предполагаемая

цена 2024 года –

94 долл. за 1 кВт·ч

Предполагаемая

цена 2024 года –

62 долл. за 1 кВт·ч

Рис

. 3.

Прогнозируемая

себестоимость

электроэнергии

от

классических

ВИЭ

(

солнце

ветер

Источник

: BloombergNEF

2018

Долл. за 1 МВт·ч

2030

2040

2050

Cолнечные фотоэлектрические

системы общего назначения

Наземные ветровые

электростанции

Рис

. 4.

Накопитель

электроэнергии

Лейтоне

(

Великобритания

)

МВт

/ 6

МВт

установленный

распределительными

сетями

по

государ

ственной

программе

инноваций

Kурс ЕС на декарбонизацию

и децентрализацию дал мощный

импульс не только к развитию

ВИЭ, но и сопутствующих техно-

логий, таких как НЭ и цифровиза-

ция сетевого комплекса. И если на

начальных этапах коммерческое

обоснование массового использо-

вания НЭ вызывало обоснованные

сомнения, то с развитием техноло-

гии эти вопросы становятся все

менее и менее актуальными, бо-

лее того, такой подход позволил

привлечь в область инвестиции,

ранее не доступные для электро-

энергетиков. По оценке министер-

ства энергетики Великобритании,

внедрение умных цифровых тех-

нологий к 2030 году в электро-

энергетике позволит потребите-

лям электроэнергии экономить

порядка 2–3 миллиардов фунтов

стерлингов от их затрат на элек-

троэнергию.

НЭ варьируются от классиче-

ских гидроаккумулирующих стан-

ций до электрохимических накопи-

телей (аккумуляторные батареи)

и даже до достаточно экзотиче-

ских — основанных на хранениии

тепла или газа.

Различные технологии НЭ

имеют свои характеристики, пре-

имущества и недостатки и, соот-

ветственно, различные области

применения.

Тем не менее есть несколько

ключевых технических парамет-

ров, важных для электросетевого

комплекса, которые характеризу-

ют НЭ:

Мощность НЭ

— это именно та

цифра, которая чаще всего фи-

гурирует в новостях, выражает-

ся в МВт или МВА и показывает

максимальную мощность НЭ,

может импортировать/экспор-

тировать из/в сеть. Большин-

ство НЭ способны экспорти-

ровать/импортировать любую

мощность в заявленном до

максимума пределе.

Энергоемкость НЭ

измеряется

в МВт·ч и определяет количе-

ство электроэнергии, которое

накопитель способен отдать в /

забрать из сети.

Разные виды НЭ имеют раз-

личное

соотношение

между

энергоемкостью и максимальной

мощностью. Чем больше это соот-

ношение, тем больше по времени

НЭ способен отдавать электро-

энергию в сеть.

Например, один из первых НЭ

на основе литий-ионных аккуму-

ляторных батарей в Великобри-

тании, установленный в Лейтоне,

имеет соотношение 10 МВт·ч /

6 МВт = 1,67, что говорит нам

о том, что накопитель способен

импортировать/экспортировать

максимальную мощность в тече-

ние почти 100 минут (рисунок 4).

№

1 (64) 2021

Page 4

Рис

. 5.

Варианты

использования

НЭ

электрических

системах

Источник

: ABB

Поддержка

частоты

мс

Качество

электроэнергии

Оперативный

вращающийся

резерв

Работа

изолированных

участков

Стабилизация

параметров

Время (емкость)

Сдвиг

и выравнивание

нагрузок

Сглаживание пиков

Также важной характеристикой

является время реагирования НЭ

на изменения в сети. Если для

гид роаккумулирующих

станций

это время составляет минуты, то

для НЭ на основе аккумуляторных

батарей мы уже говорим о долях

секунды, что делает аккумуля-

торные батареи очень привле-

кательными технологически для

поддержания стабильности сетей

в условиях перехода на ВИЭ и де-

централизации генерации.

Одним из ценных преимуществ

НЭ на основе аккумуляторных ба-

тарей является возможность из-

менения выдачи в сеть реактив-

ной энергии вне зависимости от

активной по всем четырем квад-

рантам, правда в пределах общей

мощности накопителя.

При проектировании НЭ также

необходимо учитывать потери на

хранение электроэнергии и об-

щий срок службы накопителя.

При всей своей кажущейся

простоте концепции НЭ могут

выполнять различные функции,

и целесообразность установки

и использования этих накопите-

лей будут диктоваться, в первую

очередь, локальными особенно-

стями — как технологическими,

так и чисто экономическими.

В мировой практике сложились

следующие основные сферы ис-

пользования НЭ (рисунок 5).

Выравнивание профиля на-

грузок и сглаживание пиков.

Использование накопителей

позволяет отложить или от-

казаться от реконструкции

участков распределительных

сетей и увеличить пропускную

способность магистральных

сетей.

Поддержка энергосистемы.

С помощью НЭ происходит ре-

гулировка напряжения путем

поглощения или вброса в сис-

тему реактивной мощности

и повышение эффективной

работы

распределительных

сетей (например, через умень-

шение потерь), а также регу-

лировка частоты путем вброса

в систему активной мощности.

В Великобритании существует

целая линейка коммерческих

инструментов для закупки опе-

ративных резервов мощности

в целях поддержания уровня

частоты в системе, в кото-

рых участвуют накопители ЭЭ

и их агрегаторы. Среди них

основная задача первичных

резервов — сдержать резкое

падение частоты в дополне-

ние к существующей инерции

системы. Они должны покрыть

заявленные изменения мощ-

ности в сети в течение первых

10 секунд и продолжать под-

держивать изменения в те-

чение следующих 20 секунд.

Задача вторичных резервов —

окончательно

восстановить

частоту системы в рабочие

пределы. Эти резервы должны

покрыть заявленные измене-

ния мощности в сети, начиная

с 30-й секунды после аварии,

и продолжать поддерживать

изменения в течение следую-

щих 30 минут. Быстродейству-

ющие резервы участвуют в ре-

гулировании час то ты системы

(EFR) первые 10 секунд с мо-

мента внезапного изменения

частоты до вступ ления в игру

первичных рез ервов.

Также с помощью НЭ происхо-

дит гашение качаний в сис те ме,

повышение качества электро-

энергии (сглаживание высших

гармоник и искажений) и под-

держка инерции синхронных

машин в сети. Как было уже

установлено, именно уменьше-

ние инерции в сис темах с боль-

шой долей ВИЭ представляет

угрозу стабильной работе энер-

госистемы и чревато блэкау-

тами, аналогичными аварии

в Лондоне в 2019 году.

НЭ позволяют потребителям

электроэнергии

участвовать

в коммерческом механизме,

направленном на уменьшение

пиковых нагрузок в сети путем

экспорта электроэнергии в сеть.

Участие накопителей в рынке

мощности.

Поддержка ВИЭ

в плане вы-

равнивания профиля генера-

ции: краткосрочная (в реальном

времени) и долгосрочная (хра-

нение энергии несколько часов,

до момента, когда она будет

востребована).

Арбитраж электроэнергии.

Позволяет закупать электро-

энергию на рынке по мини-

мальной цене и продавать на

максимуме как получасовыми

блоками, так и более длитель-

ными периодами.

Восстановление после блэк-

аутов.

Использование НЭ по-

могает безболезненней пере-

жить моменты, когда электро-

энергия от сети недоступна,

поскольку поддерживает бес-

перебойное питание критиче-

ски важных объектов, при вы-

падении отдельных участков из

системы позволяет им работать

автономно как в момент выпа-

дения, так и в автономном ре-

жиме, способствует подъему

всей энергосистемы с нуля пос-

ле блэкаутов.

Установка НЭ на стороне по-

требителей.

Установка НЭ на

стороне потребителей («за счет-

чиком») позволяет потребите-

лям оптимизировать электро-

потребление, особенно с пере-

менным тарифом, и экономить

на сетевой составляющей сче-

та за электроэнергию.

Выдача в сеть тока для ком-

пенсирования токов КЗ.

В то время как в США наибо-

лее распространена практика ис-

пользования НЭ для арбитража,

в ЕС накопители чаще использу-

ются для поддержки энергосистем

и ВИЭ, но чаще всего это комби-

НАКОПИТЕЛИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Page 5

Рис

. 6.

Использование

накопителей

энергии

для

различных

целей

100

90
80
70
60
50
40
30
20
10

ощность нак

опит

еля, МВ

Тип использования

Арбитраж ЭЭ

По

ддержание част

оты

По

ддержание част

оты +

Арбитраж ЭЭ +

Выравнив

ание нагр

узки

и сг

лажив

ание пик

ов

Использование для нескольких целей

Использование для одной цели

По

ддержание част

оты +

Баланс ВИЭ

Ре

зервное

элек

троснаб

жение

Арбитраж ЭЭ +

Выравнив

ание нагр

узки

и сг

лажив

ание пик

ов

По

ддержание част

оты +

Выравнив

ание нагр

узки

и сг

лажив

ание пик

ов

Ре

зервное

элек

троснаб

жение +

По

ддержание част

оты

По

ддержание част

оты +

Арбитраж + Р

ез

ервное

элек

троснаб

жение

нированное использование. На

рисунке 6 демонстрируются наи-

более часто встречающиеся ком-

бинации использования НЭ.

Чтобы определить целесооб-

разность использования НЭ в той

или иной ситуации, необходимо

разработать комплексную систему

обоснования каждого проекта.

В первую очередь необходимо

определить список потенциальных

бенефициаров проекта. В их число

могут входить не только владель-

цы НЭ, но также сетевые операто-

ры, поставщики электроэнергии,

распределительные и магистраль-

ные сети, отдельные потребители

и общество в целом.

Во-вторых, необходимо опре-

делить и оценить, какое воздей-

ствие и на кого окажет установка

и работа НЭ в каждом конкретном

случае. Причем, есть как прямые

и легко высчитываемые выгоды,

повышение качества, эффек-

тивности и надежности электро-

снабжения (те, что были описаны

выше), так и косвенные, которые

оценить гораздо труднее. К таким

косвенным выгодам относятся, на-

пример, экологические аспекты,

энергобезопасность, создание но-

вых рабочих мест и т.д.

Все вышесказанное подводит

к тому, что все выгоды от примене-

ния НЭ бывает достаточно не про-

сто оценить в комплексе. Тем не

менее, есть несколько основных

моментов, на которые необходимо

обратить особое вни мание:

– специфика рынка и законода-

тельства в каждом конкретном

регионе, где планируется уста-

новка НЭ;

– наличие в регионе рынка элек-

троэнергии, реактивной и актив-

ной мощностей, рынка под-

держки балансов и качества

электроэнергии в системе;

– преобладание тех или иных ис-

точников электроэнергии и кон-

фигурация системы;

– наличие выделенных «остро-

вов» в энергосистеме;

– наличие потенциала по опти-

мизации работы уже установ-

ленных генерирующих мощно-

стей.

Необходимо постараться оце-

нить стоимость всего жизненного

цикла НЭ и возможность его мак-

симального использования на про-

тяжении всего этого цикла с учетом

утилизации. В этом плане интерес-

ные расчеты провела компания

АВВ, чтобы показать экономиче-

ски обоснованное использование

НЭ для питания выделенных из

общей системы участков.

Для примера был выбран изо-

лированный участок со средней

нагрузкой 11,2 МВт с пиком до 15,

питающимся от 9×2 МВт дизель-

ных генераторов. Для оценки эко-

номической эффективности была

принята стоимость с доставкой

одного литра дизельного топлива

в 0,75 долл., стоимость установки

НЭ — 300 долл./кВт·ч и стоимость

солнечных панелей — 1,5 долл./Вт.

Было рассмотрено несколько

сценариев с разной долей ВИЭ

и НЭ, интегрированных в систе-

му. При добавлении в островную

сеть суммарно 22 МВт солнечных

панелей и установки НЭ мощно-

стью в 14 МВт / 10 МВт·ч удалось

повысить долю возобновляемой

энергии до 35% от общей потреб-

ляемой, снизить себестоимость

электроэнергии на 18% и окупить

затраты на модернизацию в тече-

ние 5 лет, при этом существенно

повысить качество электроэнергии

(таблица 1).

Также с работой НЭ можно

озна комиться более детально на

примере проекта, завершенного

Табл. 1. Инвестиции и сроки окупаемости для четырех базовых сценариев

с использованием НЭ и ВИЭ в изолированных сетях.

Источник: HITACH ABB POWER GRID

Параметр

ДГ*

ДГ +

НЭ 4 МВт / 3 МВт·ч

ДГ +

НЭ 6 МВт / 5 МВт·ч +

ВИЭ 10 МВт

ДГ +

НЭ 14 МВт / 10 МВт·ч +

ВИЭ 22 МВт

Себестоимость ЭЭ

(приведенная)

–

-2%

-13%

-18%

Качество ЭЭ

низкое

высокое

Доля ВИЭ

20%

35%

Инвестиции (млн долл.)

Внутренняя норма

доходности (IRR)

27%

24%

19%

Срок окупаемости (лет)

–

3,8

4,1

5,3

* дизельная генерация

№

1 (64) 2021

Page 6

19,5

18,5

17,5

16,5

8
6
4
2
0

-2
-4
-6
-8

-5

-10

-15

-20

-25

Напр

яжение, кВ

Ак

тивная мощность, МВ

Реак

тивная мощность, МВ

Фазные напряжения на ПС 33 кВ

Вброс активной мощности в сеть от НЭ

Вброс реактивной мощности в сеть от НЭ

Время, сек

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Фаза 1

Фаза 2

Фаза 3

Рис

. 7.

Динамика

основных

параметров

НЭ

при

ОЗЗ

на

одном

из

ТТ

системы

(

напряжение

активная

реактивная

мощности

)

на юге Австралии (https://escri-sa.

com.au), где была осуществлена

установка НЭ на базе литий-ион-

ных аккумуляторных батарей мощ-

ностью 30 МВт / 8 МВт·ч, что по-

зволило решить несколько задач,

таких как поддержание частоты

системы, увеличение пропускной

способности межсистемных пере-

токов, работа участка сети в изоли-

рованном от системы режиме без

приостановки работы распредели-

тельной генерации (аналог пилот-

ных российских активных энерге-

тических комплексов), торговля

электроэнергией на балансовом

рынке (рисунок 7).

Теперь хотелось бы более под-

робно остановиться на НЭ в рас-

пределительных сетях Велико-

британии. Как было отмечено, под

упрощенный режим получения

разрешения на строительство по-

падают НЭ суммарной мощностью

до 50 МВт, что предполагает присо-

единение накопителей непосред-

ственно к распределительным

сетям. При присоединении к рас-

пределительным сетям использу-

ются те же принципы, по которым

происходит присоединение рас-

пределительной генерации. Более

того, очень часто девелоперы ВИЭ

присоединяют к сетям комбиниро-

ванные установки, включающие

в себя как НЭ, так и РГ. Правила

и технические требования к подоб-

ным установкам разрабатываются

Ассоциацией владельцев сетево-

го комплекса при согласовании

с другими участниками энергорын-

ка и утверж даются Регулятором.

Отличия в этом плане НЭ от

РГ в том, что распредсетям важно

очень хорошо понимать режимы

работы накопителей, арбитраж,

поддержку частоты, резервирова-

ние и т.д., чтобы определить не-

обходимые условия для техпри-

соединения (ТП). Особенно важно

понимание режимов работы НЭ

на фоне того, что интеграция НЭ

в распределительные сети про-

исходит как один из факторов де-

централизации электроэнергетики

в целом, со смещением функций

Сетевого Оператора (СО) от ма-

гистральных сетей к распредели-

тельным, когда объем информации

между различными элементами

системы увеличивается лавиноо-

бразно.

К тому же для НЭ еще не сло-

жилась база сертифицирован-

ного оборудования, одоб рен ного

к установке в сеть, что позволяло

бы ускорить процесс подключения

накопителей в сеть. Приходится

демонстрировать

соответствие

заявленным критериям индиви-

дуально, что, в свою очередь, не

способствует развитию микрона-

копителей, подключенных к инди-

видуальным домам, как это проис-

ходит с солнечными панелями.

Еще одной особенностью бри-

танского сетевого комплекса яв-

ляется стремление максимально

загрузить существующую сетевую

инфраструктуру, что обеспечива-

ется, например, предоставлением

свободных сетевых мощностей

потребителям и производителям

электроэнергии на безвозмездной

основе. Такой подход приводит

к тому, что далеко не все участки

сети подходят для присоединения

НЭ и РГ, многие участки требу-

ют длительной и дорогостоящей

модернизации для обеспечения

техприсоединения, которое опла-

чивается в полном объеме присо-

единяемым.

Это подтолкнуло, в свою оче-

редь, сети к развитию так называ-

емых адаптивных сетей, когда про-

пускная способность отдельных

участков является динамичной,

накладывая временные ограниче-

ния на выдачу мощности в сеть.

При использовании данного ре-

жима накопители в комбинации

с РГ играют очень важную роль,

позволяя сэкономить на стоимо-

сти ТП. Хорошим примером здесь

может послужить присоединение

к сетям сахарного завода на Вос-

токе Англии, где побочное от про-

цесса производства сахара тепло

используется для производства

электроэнергии (здесь именно ис-

пользование динамичного режима

присоединения позволил сэконо-

мить на ТП около 10 миллионов

фунтов стерлингов).

В заключение хотелось бы ска-

зать, что в электроэнергетике уже

давно существует потребность

в накопителях электроэнергии, но

только сейчас новые, в том числе

и цифровые, технологии позволя-

ют разрабатывать и использовать

на коммерческой основе новые

виды НЭ. Помимо электроэнерге-

тики рынок НЭ подстегивает по-

степенный переход на электро-

транспорт как более экологически

чистый, и дальнейшее развитие

будут получать имеющие большой

потенциал домашние НЭ, в том

числе с использованием лично-

го электротранспорта в режимах

накопления электроэнергии для

электрических систем. В этом пла-

не для сетевого комплекса очень

важно разработать и внедрить не-

обходимую нормативную базу, ко-

торая будет позволять оперативно

интегрировать НЭ в сеть без какого-

либо ущерба и негативных послед-

ствий как для инфраструктуры се-

тевого комплекса, так и для других

пользователей сетей, с привязкой

к типам и режимам использования

НЭ. Причем НЭ по-прежнему будут

следовать в тренде децентрализа-

ции электроснабжения, и мы ско-

рее увидим большее количество

небольших по мощности НЭ, при-

соединенных именно к распреде-

лительным сетям, чем погоню за

единичными максимально мощны-

ми НЭ.

НАКОПИТЕЛИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Оригинал статьи: Накопители электроэнергии. Основные направления использования в электросетевом комплексе

Читать онлайн

31 мая 2019 года вследствие аварии отключился высоковольтный кабель, соединяющий Великобританию и Францию, и из энергетической системы одномоментно выпало около 1 ГВт активной мощности. Частота системы снизилась до 49,63 Гц, что заставило системного оператора предпринять определенные шаги по восстановлению частоты системы до допустимых значений. Первыми на изменение баланса в системе отреагировали динамические агрегаторы накопителей электроэнергии (НЭ), и хотя обычно при подобных незапланированных отключениях генерирующих мощностей стоимость электроэнергии на балансовом рынке резко растет, в этот раз, в том числе и благодаря участию в процессе НЭ, рост был незначительный. Следом за НЭ в работу включились резервные дизельные и газо-поршневые станции следующего уровня поддержания частоты. В данной статье мы рассмотрим различные механизмы поддержания стабильной работы энергосистемы в той плоскости, которая касается непосредственно участия НЭ в работе сети.