Мир систем накопления электроэнергии весьма разнообразен. Помимо широко известных электрохимических накопителей и гидроаккумулирующих электростанций, есть твердотельные аккумулирующие электростанции, термальные накопители и еще ряд других технологий накопления электроэнергии. С внедрением объектов ВИЭ-генерации, изменением структуры генерирующих мощностей и нагрузки энергосистем использование накопления энергии рассматривается экспертами электроэнергетической отрасли как одно из решений для надежного электроснабжения потребителей.
В Ассоциации крупнейших системных операторов мира GO15, куда входит и российский Системный оператор, решили выяснить, как используется все разнообразие систем накопления электроэнергии (СНЭЭ) в больших энергосистемах. Расскажем вам о результатах проведенного исследования, которые были представлены на 50-й Сессии Международного Совета по большим электрическим системам высокого напряжения (СИГРЭ) в Париже.
Теория и практика
История использования электричества во благо человеку, пожалуй, началась с изобретения на рубеже XVIII-XIX веков Вольтова столба – самого первого накопителя электроэнергии. С тех времен минуло больше двух столетий, но лишь в наши дни, когда мировая электроэнергетика устремилась к низкоуглеродному будущему, повсеместно заговорили о широком практическом развитии технологий накопления энергии, как эффективного инструмента интеграции значимых для энергосистем объемов ВИЭ-генерации.
Но наступил ли «золотой век» накопителей электроэнергии в действительности? В поисках ответа на этот вопрос свои усилия объединила международная исследовательская группа в составе 8 человек – специалистов системных операторов Бразилии, Италии, США, Франции, ЮАР и ассоциации GO15. В ряды соавторов исследования также вошел и сотрудник российского Системного оператора – ведущий эксперт Департамента параллельной работы и стандартизации Станислав Утц. Авторский коллектив поставил целью своего исследования выяснить, как на сегодняшний день различные СНЭЭ интегрированы в крупнейшие энергосистемы мира.
Исследование основано на специальном опросе среди национальных системных операторов, которые поделились собственными практиками интеграции СНЭЭ в энергосистемы. Эти ценные сведения передали 11 из 15 членов ассоциации GO15, на чью долю приходится до половины глобального электропотребления. Помимо российского Системного оператора, в опросе приняли участие Государственная электросетевая корпорация Китая, GRID-INDIA (Индия), ONS (Бразилия), Terna (Италия), RTE (Франция), ESKOM (ЮАР), TEPCO (Япония), два североамериканских системных оператора MISO и CAISO, а также системный оператор энергосистем стран Персидского залива GCCIA.
Общее и частное
Первое, что бросается глаза при виде результатов исследования – это разброс в суммарной мощности существующих СНЭЭ. Например, у японской TEPCO она составляет лишь несколько МВт, а у ГЭК Китая превышает 8,5 ГВт. Ожидаемо китайцы в лидерах по данному показателю, но от них недалеко ушла Италия. Так, объем СНЭЭ в операционной зоне итальянской Terna почти достиг символической планки в 8 ГВт.
Куда большее единообразие наблюдается, когда речь заходит о технологиях накопления электроэнергии. И хотя исследователи называют СНЭЭ на основе литий-ионных аккумуляторов «более коммерчески успешным решением», чем гидроаккумулирующиe электростанции (ГАЭС), они в то же время констатируют, что доля электрохимических накопителей в большинстве рассмотренных энергосистем пока не превышает 0,2–4% от суммарной мощности СНЭЭ. Особняком здесь стоят только 2 системных оператора – CAISO, управляющий энергосистемой Калифорнии, и GCCIA, объединяющий в своей операционной зоне энергосистемы стран Персидского залива. Доля интегрированных ими электрохимических накопителей доходит до 70%.
Растущее число и мощность СНЭЭ, подключаемых к электрической сети, влияет на режимы работы энергосистемы. Для обеспечения надежного электроснабжения потребителей и управления режимами работы энергосистемы для новых типов СНЭЭ (в частности, литий-ионных аккумуляторных батарей) требуется формирование единых технических требований. В частности, в России в 2024 году выпущен ГОСТ Р 71521-2024 «Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Технические требования к системам накопления электроэнергии, работающим в составе энергосистемы». Авторы исследования представили также свой опыт по техническому регулированию работы СНЭЭ в энергосистеме.
Преобладание той или иной технологии накопления электроэнергии в энергосистеме зависит от различий в вариантах их использования, точки подключения к электрической сети и экономической обоснованности применяемого решения. При этом, ко всем видам СНЭЭ должны применяться требования по их функционированию внутри энергосистем. Накопители электроэнергии используются опрошенными системными операторами для регулирования частоты и напряжения, выравнивания графика нагрузки, снижения потребления мощности в пиковые часы, создания резерва на случай аварийных ситуаций, восстановления электроснабжения. Вместе с тем влияние СНЭЭ на режимы работы энергосистемы различается в зависимости от типа накопителей.
Авторы исследования считают, что ГАЭС являются более подходящим решением для повышения устойчивости энергосистем, которые функционируют в экстремальных погодных условиях. Здесь на ум, конечно же, приходит наша страна, где к традиционным морозам в декабре-январе с недавних пор присоединилась аномальная жара в июле-августе. В последние годы погодный фактор регулярно входит в число главных причин обновления летних и исторических максимумов потребления мощности в электроэнергетических системах России.
К примеру нашей страны обратились и исследователи. Они отмечают, что широкое внедрение технологии ГАЭС в России повысит эффективность выравнивания графика нагрузки и регулирования перетоков активной мощности, а также поспособствует развитию низкоуглеродной генерации.
Планы по увеличению доли гидроаккумулирующих станций в структуре генерирующих мощностей энергосистемы нашей страны в ближайшие десятилетия действительно есть. По проекту Генеральной схемы размещения объектов электроэнергетики до 2042 года, который сейчас проходит стадию общественного обсуждения, планируется довести совокупную установленную мощность ГАЭС с 1356 МВт до 6199 МВт.
Причина и следствие
Как ни парадоксально, но у электрохимических накопителей не все так однозначно, как может показаться на первый взгляд. С одной стороны, исследователи прогнозируют, что в обозримой перспективе львиная доля СНЭЭ в мире будет состоять из литий-ионных аккумуляторов. Однако с точки зрения развития этой технологии не следует ожидать существенных прорывов. По крайней мере, сейчас. По мнению авторов доклада, «некоторое улучшение» производительности литий-ионных накопителей может произойти на горизонте ближайших 3-5 лет.
Растущий интерес к новым технологиям накопления электроэнергии вызван, разумеется, не данью инженерной моде. Исследователи выделяют ряд факторов, способствующих внедрению СНЭЭ. Это – реализация национальных программ низкоуглеродного и безуглеродного развития, исторически сложившиеся особенности функционирования и планирования энергосистем (например, сетевые ограничения), механизмы регулирования электроэнергетических рынков. Но, конечно же, ключевая причина заключается в увеличении доли ВИЭ в структуре генерации.
Большинство опрошенных системных операторов в той или иной степени участвуют в научно-исследовательских работах по изучению новых способов накопления электроэнергии. В числе направлений, по которым уже сегодня ведутся НИОКРы, авторы доклада называют маховичные накопители, СНЭЭ на основе синтетических газов, сетеобразующие (опорные) СНЭЭ. Определенный потенциал развития также имеют и такие технологии, как водородные СНЭЭ, окислительно-восстановительные проточные аккумуляторы и пневматические накопители энергии.
На сегодняшний день одной из самых насущных задач, стоящих перед системными операторами разных стран, выступает эффективная интеграция растущих объемов ВИЭ-генерации в энергосистемы. Безусловно, одними только СНЭЭ ее не решить, ведь для компенсации нестабильного характера выработки электроэнергии солнечными и ветряными электростанциями и для поддержания нормальной режимно-балансовой ситуации в энергосистеме нужна еще и высокоманевренная генерация, способная быстро включиться в работу по команде диспетчера. Но в комплексе с ней СНЭЭ выступают эффективным решением для суточного регулирования и компенсации изменения нагрузки СЭС и ВЭС между часами.
Очевидно, мощность ВИЭ-генерации продолжит расти по всему миру, и Россия не является исключением. По проекту Генсхемы до 2042 года совокупная установленная мощность СЭС и ВЭС увеличится практически в 5 раз – с 4690 МВт до 22661 МВт. На этом фоне в ближайшие 18 лет суммарная мощность гидроаккумулирующих электростанций, позволяющих накапливать электроэнергию в промышленных объемах, также возрастет почти в 5 раз, о чем уже говорилось выше. Глобальный тренд развития «зеленой» энергетики наводит на мысль, что в ближайшие десятилетия нас, вероятно, ожидает настоящий бум технологий накопления электроэнергии. Так же считает большинство опрошенных системных операторов. По их мнению, именно устойчивый рост объемов ВИЭ-генерации повлечет за собой широкое внедрение накопителей электроэнергии по всему миру.