CC BY
25УДК 621.311
А.Д. Гайснер, А.Н. Новиков1
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ПРИМЕНЕНИЯ И РАЗВИТИЯ СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СОВРЕМЕННЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМАХ (МИРОВОЙ ОПЫТ)
Рассмотрены основные направления и тенденции использования и развития систем накопления электроэнергии в современных энергетических системах. Определены области применения СНЭ на всех стадиях генерации, распределения и потребления электроэнергии. Проведен анализ распределения электрохимических СНЭ по основным показателям. Дан прогноз развития рынка СНЭ до 2030 года.
Ключевые слова: системы накопления электроэнергии (СНЭ), электроэнергетика, возобновляемые источники энергии (ВИЭ), генерация, распределительные сети, энергосистемы.
Введение
Развитие современных энергосистем в мире в последнее время характеризуется их значительным усложнением, активным внедрением возобновляемых источников энергии (ВИЭ), распределенной генерации, конечных потребителей с управляемым потреблением, а также систем коммуникации и управления. Эти изменения призваны обеспечить преимущества, такие как возможность отвечать целям государственной политики по диверсификации электроэнергетики и предоставлению потребителю больших возможностей выбора при обеспечении собственного электроснабжения. Однако эти преобразования сталкиваются с определенными проблемами, такими как:
• Рост вклада в суммарную генерацию изменяющейся в значительных пределах во времени генерации ВИЭ, регулирование которой затруднительно.
• Непостоянство выходной мощности солнечных электростанций, обусловленное продолжительностью светлого времени суток, облачностью и другими факторами, может привести к резким изменениям выходной мощности и потребовать непредсказуемого управления нагрузкой. Более того, резкие изменения выходной мощности ветровых генераторов, будь то быстрые колебания (секундные) или бо-
лее медленные (минутные), могут влиять на напряжение в распределительной сети (если ВИЭ присоединены к распределительной сети). Кроме того, для нейтрализации резких изменений генерации ветровых станций может потребоваться дополнительные резервы мощности в системе.
• Реверсивные перетоки, создаваемые распределенными источниками генерации, требуют пересмотра требований к средствам регулирования напряжения и релейной защиты, спроектированным для случая однонаправленного перетока мощности.
• Ограниченная пропускная способность линий электропередачи вынуждает ВИЭ снижать генерацию в периоды максимума производства электроэнергии, а увеличение пропускной способности за счет ввода новых сетевых объектов сталкивается с экологическими и регуляторными ограничениями.
• Энергокомпании изыскивают новые пути продления срока использования активов, задерживая инвестиции в модернизацию систем, поддерживая при этом надежное электроснабжение по приемлемым для потребителей ценам и учитывая неопределенность в росте нагрузки.
Активное внедрение систем накопления энергии (СНЭ) в энергосистемах позволит пре-
1 Александр Давидович Гайснер - ведущий специалист отдела новых электросетевых технологий ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», e-mail: [email protected];
Александр Николаевич Новиков - главный специалист, Дирекция электрооборудования и ЛЭП ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», e-mail: [email protected]
одолеть указанные выше проблемы. Предлагаемые СНЭ могут ранжироваться по мощности от нескольких кВт до тысяч МВт. Время разряда может также меняться от сотых долей секунды до нескольких часов. СНЭ могут управляться локально и с удаленных центров управления. Они могут быть спроектированы таким образом, чтобы очень быстро реагировать на управляющие команды. СНЭ с устройствами силовой электроники имеют возможность независимого управления активной и реактивной мощностью. В зависимости от потребностей энергосистемы СНЭ могут обеспечить регулирование частоты и напряжения, сдвиг во времени потребления и генерации, регулировку мощности на выходе системы ВИЭ+СНЭ, расширить возможности диспетчерского управления. Они могут быть спроектированы для потребностей распределительной и/или передающей сети, одно-целевого или многоцелевого использования, или для целей управления на стороне потребителя.
Каждая технология накопления энергии характеризуется капитальными затратами на ее внедрение, а также эксплуатационными расходами. В целом в настоящее время некоторые технологии накопления энергии не являются экономически эффективными и в перспективе необходимо снизить в первую очередь капитальные затраты. Независимым системным опе-
раторам (НСО), энергокомпаниям, продавцам и провайдерам технологий накопления энергии необходимо активно формировать правила развивающегося рынка СНЭ, а также эксплуатационные требования с тем, чтобы добиться максимальной экономической эффективности применения СНЭ. В идеале рынки и тарифы должны быть спроектированы таким образом, чтобы можно было бы воспользоваться преимуществами СНЭ без дополнительных неоправданных затрат.
Главные направления использования СНЭ
Существующие СНЭ могут обеспечить разнообразные приложения по всему спектру производства и распределения электроэнергии, который можно условно представить тремя уровнями иерархии:
• уровень генерации и энергосистемы;
• уровень передающей и распределительной сети;
• уровень конечного потребителя.
Десять основных областей применения СНЭ,
по данным [1], представлены в табл. 1, 2, 3, каждая из которых соответствует указанному выше уровню иерархии. Дополнительно существуют и другие области применения СНЭ, а кроме того - новые области применения могут возникнуть в будущем и стать предметом будущих исследо-
Таблица 1
Области применения СНЭ на уровне генерации и энергосистемы
Применение Описание
Услуги на оптовом рынке электроэнергии СНЭ, установленные в энергосистеме для заявки на участие в торгах на рынке электроэнергии и мощности и на рынке системных услуг*
Интеграция ВИЭ в энергосистему СНЭ, установленные в энергосистеме и обеспечивающие сдвиг максимума нагрузки во времени и системные услуги для обеспечения параллельной работы ВИЭ с энергосистемой
Стационарные СНЭ для поддержки передачи и распределения электроэнергии СНЭ для поддержки передачи и распределения электроэнергии, повышающие эффективность передающей и распределительной сети, а также экономию за счет отказа от строительства дополнительных сетевых объектов
Передвижные СНЭ для поддержки передачи и распределения электроэнергии Передвижные СНЭ для поддержки передачи и распределения электроэнергии при задержке ввода объектов передающей и распределительной сети во многих местах по мере необходимости
* - только крупные СНЭ, одновременно функционирующие на рынке электроэнергии и на рынке системных услуг.
Таблица 3
Области применения СНЭ на уровне конечного потребителя
Таблица 2
Области применения СНЭ на уровне передающей и распределительной сети
Применение Описание
СНЭ в распределительных сетях Централизованно управляемые модульные системы, обеспечивающие возросшую надежность электроснабжения, поддержку передающих и распределительных сетей и потенциально системные услуги
СНЭ, агрегированные энергокомпаниями, осуществляющими электроснабжение на розничном рынке электроэнергии СНЭ, установленные и обслуживающие жилые помещения, агрегированные и централизованно управляемые в интересах распределительных систем
СНЭ для обеспечения качества электроэнергии и надежности при электроснабжении коммерческих и промышленных потребителей СНЭ для обеспечения качества и надежности поставки электроэнергии коммерческим и промышленным потребителям
СНЭ для управления электроснабжением коммерческих и промышленных потребителей СНЭ для снижения времени использования поступающей из энергосистемы в часы максимума нагрузки электроэнергии коммерческими и промышленными потребителями
Применение Описание
Управление электроснабжением домохозяйств СНЭ для сдвига во времени максимума потребляемой электроэнергии на розничном рынке электроэнергии для снижения электропотребления в часы максимума нагрузки энергосистемы
Резервное электроснабжение СНЭ для обеспечения резервного электроснабжения домашних офисов с высоким уровнем надежности
ваний. Тем не менее эти 10 ключевых областей представляют преимущественное использование СНЭ и наиболее интересны для потенциальных владельцев СНЭ и операторов рынка электроэнергии.
Основными заинтересованными в использовании СНЭ субъектами являются: электросетевые компании, потребители, НСО, участники оптового рынка электроэнергии и мощности, включая независимых производителей энергии, провайдеры услуг на розничном рынке электроэнергии, плательщики коммунальных налогов, сотрудники регулятивных органов. Каждая из десяти указанных областей применения СНЭ определена для детального анализа с целью получения от применения СНЭ максимального преимущества. Из-за высоких капитальных затрат для большинства СНЭ желательно использовать отдельные устройства для выполнения одновременно нескольких задач, соответствующим указанным в табл. 1, 2, 3 областям применения.
Департамент энергетики США совместно с Sandia National Laboratories создал базу данных
[2], в которую заносится вся имеющаяся в мире информация о находящихся в эксплуатации, стадии монтажа и наладки, заявленных и законтрактованных СНЭ. На 15.06.2014 г. эта база данных содержала информацию о 940 СНЭ, а на 1.12.2014 г. - уже 1166 СНЭ. Для каждого СНЭ в базе данных содержится следующая информация: название, описание, тип, мощность, время разряда, местоположение и текущее состояние СНЭ, указание областей использования данного СНЭ. Результаты, представленные ниже, получены на основе этих данных. На рис. 1. представлено распределение числа СНЭ по способу накопления энергии. Наибольшая доля СНЭ соответствует электрохимическим источникам накопления энергии. Этот тип СНЭ характеризуется наиболее обширным и динамично развивающимся рынком и самым широким спектром применений. В силу этих обстоятельств, в дальнейшем будем рассматривать и анализировать только электрохимические СНЭ (общее количество в базе данных на 15.06.2014 г. -380, на 01.12.2014 г. - 571). Ниже на диаграммах
ГАЭС - гидроаккумулирующая электрическая станция; НЭСВ - накопитель электрической энергии на основе сжатого воздуха Источник: [2].
Рис. 1. Распределение СНЭ по способу накопления энергии (доля в % от общего числа СНЭ)
60 50 40
30 20
Источник: [2].
Рис. 2. Распределение электрохимических СНЭ по странам (доля в % от общего числа СНЭ)
Источник: [2].
Рис. 3. Распределение электрохимических СНЭ по типу аккумулирования электроэнергии (доля в % от общего числа СНЭ)
Источник: [2].
Рис. 4. Распределение электрохимических СНЭ по установленной мощности в кВт
(доля в % от общего числа СНЭ)
Источник: [2].
Рис. 5. Распределение электрохимических СНЭ по времени разряда (доля в % от общего числа СНЭ)
Источник: [2].
Рис. 6. Распределение электрохимических СНЭ по состоянию на 15.06.2014 (доля в % от общего числа СНЭ)
(рис. 1-6) темным цветом отмечены результаты, полученные по данным на 15.06.2014 г., а клетчатым - по данным на 1.12.2014 года.
Почти 50% от общего числа электрохимических СНЭ приходится на США (см. рис. 2), что помимо высокого технологического и эконо-
мического уровня развития страны, объясняется еще и тем, что в США высокая суммарная установленная мощность ветровых и солнечных электростанций, для надежной и экономичной эксплуатации которых требуется установка СНЭ.
Более 50% от общего числа электрохимических СНЭ приходится на литий-ионные аккумуляторы (см. рис. 3), причем доля этих аккумуляторов возрастает. Представленное на рис. 4 распределение электрохимических СНЭ по установленной мощности показывает, что приблизительно 50% СНЭ обладают мощностью менее 250 кВт, то есть большинство СНЭ установлено на стороне потребителя. Эта доля имеет тенденцию к снижению, так как за последние полгода в мире интенсивно вводятся в эксплуатацию электрохимические СНЭ мощностью более 10 МВт. Приблизительно 50% электрохимических СНЭ имеют время разряда в интервале от 1 до 4 часов (см. рис. 5), что дает возможность использовать одни и те же СНЭ на разных рынках электроэнергии. Из рассматриваемых электрохимических СНЭ почти 90% на-
ходятся в эксплуатации или в стадии монтажа и наладки (см. рис. 6).
В табл. 4 представлен анализ использования электрохимических СНЭ. Так как СНЭ являются все еще дорогими устройствами, их установка с целью выполнения какой-либо одной из перечисленных в табл. 4 задач нерентабельна. Обычно большинство устройств СНЭ, вне зависимости от места их установки, выполняет несколько функциональных заданий. Это объясняет тот факт, что в табл. 4 для 380 (на 15.06.2014 г.) анализируемых электрохимических СНЭ насчитывается 1042 случая использования в различных областях, а для 571 СНЭ (на 1.12.2014 г.) - 1539. Области использования затрагивают всех субъектов рынка электроэнергии: генерирующие, сетевые, распределительные компании и конечных потребителей.
Таблица 4
Распределение электрохимических СНЭ по областям их применения
№ Область использования электрохимических СНЭ Количество используемых СНЭ Прирост, %
пп 15.06.2014 01.12.2014
1 Разворот системы после посадки «на нуль» 19 35 35,0
2 Модернизация распределительной сети из-за установки солнечной генерации 38 43 13,2
3 Модернизация распределительной сети из-за установки ветровой генерации 8 11 37,5
4 Управление счетом за электроэнергию в обычной энергосистеме 50 78 56,0
5 Управление счетом за электроэнергию в энергосистеме, содержащей ВЭИ 28 52 85,7
6 Сдвиг во времени потребления электроэнергии 111 149 34,2
7 Мощность для электроснабжения потребителей 63 75 19,0
8 Резервная мощность (невращающийся резерв) 13 15 15,4
9 Резервная мощность (вращающийся резерв) 29 45 55,2
10 Регулирование частоты 86 136 58,1
11 Поддержка присоединенных к энергосистеме коммерческих и бытовых потребителей 110 129 17,3
12 Отслеживание нагрузки 39 42 7,7
13 Установка СНЭ на подстанции 53 73 37,7
14 Сдвиг во времени генерации на электростанции с ВИЭ 54 112 107,4
15 Балансирование выходной мощности ВИЭ при быстрых изменениях их генерации 31 34 9,7
16 Укрепление систем с ВИЭ 122 173 41,8
17 Сдвиг во времени выдачи электроэнергии ВИЭ 88 100 13,6
18 Отсрочка дополнительного строительства передающей/ распределительной сети 24 30 25,0
Окончание табл. 4.
№ Область использования электрохимических СНЭ Количество используемых СНЭ Прирост, %
пп 15.06.2014 01.12.2014
19 Устранение перегрузки линий электропередачи 9 14 55,6
20 Поддержка передачи электроэнергии 4 23 475,0
21 Модернизация передающей системы под ветровые электростанции 2 11 450,0
22 Обслуживание передачи электроэнергии 3 46 1433,3
23 Поддержка заданного уровня напряжения 58 113 94,8
Всего: 1042 1539
технологий накопления электрической энергии. Для некоторых приложений СНЭ уже введены в эксплуатацию и в будущем их использование будет только возрастать. Кроме того, некоторые новые приложения СНЭ активно внедряются в настоящее время, например, в качестве поддержки развивающейся возобновляемой энергетики и активно-адаптивных сетей. Важность применения СНЭ в энергетике, промышленности, на транспорте, в быту в ближайшем будущем широко признана и некоторые исследования в области потенциала рынка СНЭ уже выполнены. В то время как эти исследования варьировались в заданных временных рамках и областях, обсуждались различные приложения СНЭ. Эти исследования могут быть разделены на две категории:
Таблица 5
Текущие и планируемые показатели для литий-ионных аккумуляторных батарей _на период до 2030 года_
Тип накопителя электроэнергии / Технические характеристики накопителя Текущие значения Планируемые значения на 2020-2030 гг.
Литий-ионные аккумуляторы/ энергоемкость Макс. 241 Вт-ч/кг - 535 Вт-ч/л Безопасный электролит: 2000 циклов (-20, +60°С) 500-1000 евро/кВт-ч - цена установки аккумулятора (или 5 евроцент/кВт-ч/цикл - цена отпущенной электроэнергии) 180-350 Вт-ч/кг - 350-800 Вт-ч/л Безопасный электролит: > 10000 циклов (-20, +70°С) 200 евро/кВт-ч - цена установки аккумулятора (или 4 евроцент/кВт-ч/ цикл - цена отпущенной электроэнергии)
Литий-ионные аккумуляторы/ мощность 50-90 Вт-ч/кг -105-190 Вт-ч/л; 3кВт/кГ Безопасный электролит: 10000 циклов (-10°С, +60°С) > 1000 евро/кВт-ч - цена установки аккумулятора 170-220Вт-ч/л > 5кВт/кг Безопасный электролит: > 15 лет (-20°С, +70°С) ~ 20 евро/кВт-ч - цена установки аккумулятора; Li4Ti5O12 < 10 евро/г - цена установки аккумулятора
Как видно из табл. 4, по данным на 01.12.2014 г., наибольшая доля использования электрохимических СНЭ - решение режимных задач с целью повышения надежности энергосистем - 37,4% (п. 1, 7, 8, 9, 10, 13, 19, 20, 22, 23 в табл. 4). Далее следует использование электрохимических СНЭ для поддержки функционирования ВИЭ и их интеграции в энергосистемы - 34,8% (п. 2, 3, 5, 14, 15, 16, 17, 21 в табл. 4). И, наконец, на третьем месте находится использование электрохимических СНЭ для решения чисто экономических задач - 25,9% (п. 4, 6, 11, 12 в табл. 4).
Прогноз развития рынка СНЭ до 2030 года
Как уже указывалось выше, в настоящее время в мире используется большое количество
Таблица 6
Текущие и планируемые показатели для проточных редокс-накопителей на период до 2030 года
Тип накопителя электроэнергии / Технические характеристики накопителя Текущие значения Планируемые значения на 2020-2030 гг.
Проточные редокс-накопители (ванадиевые, ZnBr2) 10-20Вт-ч/кг - 15-25Вт-ч/л (ванадиевые); 10-20 лет (> 10000 циклов) (10°С, +40°С) 50-60Вт-ч/кг (на основе ZnBr2) >2000 циклов Проектные цены: 10 евроцент/кВт-ч - цена отпущенной электроэнергии; По электроэнергии 400 евро/кВт-ч -цена установки аккумулятора По мощности 600 евро/кВт - цена установки аккумулятора Второе поколение (ванадий-бромид) 20-40Вт-ч/кг Широкий диапазон Т°(> 100°С) Проектные цены: 7 евроцент/кВт-ч - цена отпущенной электроэнергии; По электроэнергии - 120 евро/кВт-ч -цена установки аккумулятора По мощности - 300 евро/кВт - цена установки аккумулятора
• оценка будущего рынка, покрывающего почти все приложения СНЭ;
• оценка будущего рынка сфокусированного только на специфических новых приложениях СНЭ.
Европейская ассоциация развития технологий накопления энергии совместно с Европейским альянсом энергетических исследований разработали дорожную карту развития СНЭ до 2030 г. [3]. В табл. 5, 6 представлена информация
из этой дорожной карты для литий-ионных аккумуляторов и проточных редокс-накопителей. Эти два типа электрохимических СНЭ выбраны для иллюстрации, так как на сегодняшний день (см. рис. 3) эти СНЭ являются самыми распространенными в мире. Снижение стоимости СНЭ и улучшение их технических характеристик уже в ближайшие годы значительно расширит рынок этих устройств, что, в свою очередь, приведет к снижению их цены и расширению области их применения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Electric Energy Storage Technology Options. A White Paper Primer on Applications, Cost and Benefits, EPRI № 1020676, December 2010.
2. URL: http://energystorageexchange.org/ projects/.
3. Joint EASE/EERA Recommendation for a European Energy Storage Technology Development Roadmap Towards 2030, Final Report, March 2013.
Поступила в редакцию 08.12.2014 г.
A. Gaisner, А. Novikov2
MAIN TENDENCIES IN APPLICATION AND DEVELOPMENT OF POWER ACCUMULATION SYSTEMS IN MODERN POWER NETWORKS (INTERNATIONAL EXPERIENCE)
The paper analyses the main directions and tendencies in application and development of power accumulation systems in modern power networks. The paper analyses possible application areas of accumulation systems on all the stages of energy generation, distribution and consumption. The paper analyses the main electric and chemical characteristics of accumulative technologies. The paper also presents the power accumulation technologies' market forecast up to the year 2030.
Key words: power accumulation systems, power sector, renewable energy sources (RES), generation, distribution network, energy systems.
2 Alexander D. Gaisner - leading specialist of New power technologies Department STC FGC UES, e-mail: [email protected]; Alexander N. Novikov - head specialist, Directorate of electrical equipment and power lines STC FGC UES, e-mail: [email protected]
