Санжар Шарапов, начальник отдела перспективного развития и технического сопровождения проектов ГК«Хевел»

Для интеграции и увеличения доли возобновляемых источников энергии, таких как солнечные и ветровые электростанции, необходимо обеспечить гибкость энергосистемы, при этом сохранить надежность работы и поддержать эффективное использование возобновляемых ресурсов. Применение систем накопления электроэнергии видится в качестве основного решения, позволяющего повысить гибкость энергосистемы за счет возможности быстрого потребления электроэнергии, хранения в течение заданного периода времени и дальнейшей выработки электроэнергии.

Основные направления систем накопления энергии(СНЭ)

В настоящий момент можно обозначить несколько направлений в части применения СНЭ в электроэнергетике:

• участие СНЭ в оказании услуг по обеспечению системной надежности (установка «перед счетчиком» (in-front ofthe meter (FTM));

•   установка СНЭ у потребителя с целью оптимизации затрат на электроснабже­ние (установка «за счетчиком» (behind- the-meter (BTM));

•   применение СНЭ как элемента электросетевой инфраструктуры с целью обеспечения надежности поставок электрической энергии и отсроч­ки инвестиций в модернизацию/ новое сетевое строительство;

•   применение СНЭ в составе объек­тов распределенной энергетики, особенно в изолированных энергосистемах.

По сравнению с традиционными системы накопления энергии на уровне энергоси­стемы, такие как гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), СНЭ на базе стаци­онарных блоков аккумуляторных батарей (электрохимические источники тока) имеют ряд преимуществ в части независимости по месту размещения, масштабируемости решения, возможности размещения в непо­средственной близости от электростанции любого типа. В свою очередь, для ГАЭС как минимум требуются особые геологические условия.

Стационарные системы СНЭ имеют широкий ряд энергоемкостей, варьирую­щихся от нескольких МВт*-ч до сотен МВт*-ч. В настоящий момент существует ряд техно­логий, которые используются для сетевых стационарных СНЭ. Начиная с2013 года, в балансе начали преобладать проекты на базе литий-ионных аккумуляторов, которые к 2017 году уже заняли более90% рынка.

Решение по интегрированию систе­мы накопления энергии с СЭС позволяет обеспечить надежность и качество электро­снабжения, обеспечить резервирование потребителей, осуществлять системные услуги с высокой степенью маневренности и реализовать весь потенциал солнечной электростанции. Солнечная электростанция будет обеспечивать потребности энергоузла в электроэнергии в течение дня,а избыток солнечной энергии будет накапливаться в системе накопления энергии и перераспре­делять мощность СЭС во времени (участие в вечерних пиках нагрузки), а также обеспе­чивать резерв мощности в случае аварийно­го отключения линии.

Функции СНЭ в энергосистеме

Крупные сетевые системы накопления электроэнергии будут играть ключевую роль в содействии следующему этапу энергетического перехода за счет увеличения доли ВИЭ в энергосистеме. Необходимо отметить, что для системных операторов (операторов энергосистемы и сетей) ин­теграция СНЭ позволит осуществлять ряд системных услуг, таких как участие в общем первичном регулировании частоты (ОПРЧ), обеспечение «горячего» резерва мощностей в системе, регулирование скорости измене­ния нагрузок и мощностей в энергосистеме. Применение СНЭ позволяет снизить затра­ты на пиковые генерирующие мощности, модернизацию сетевой инфраструктуры. Как и говорилось ранее, интеграция крупных СНЭ в энергосистемы позволяет увеличить долю ВИЭ, имеющих резко переменный и трудно прогнозируемый профиль выдачи мощности, что, в свою очередь, позволяет повысить надежность работы энергосистемы. Интегра­ция ВИЭ + СНЭ позволяет перераспределить во времени излишки электроэнергии, тем самым позволяя использовать по максиму­му возобновляемые источники. Более того, комплексы на базе ВИЭ и СНЭ уже позволяют обеспечить более дешевой электроэнергией труднодоступные регионы и изолированные от централизованных сетей энергосистемы, снабжение которых обеспечивается за счет дизельной генерации с высокими затратами на доставку топлива.

На рисунке 1 представлены основные направления применения сетевых СНЭ.

Ключевой отличительной особенностью СНЭ является возможность участвовать в реализации нескольких задач или выпол­нять ряд функций в рамках различных сегмен­тов электроэнергетического комплекса.

Виды системных услуг

Участие в регулировании частоты

Для нормального функционирования система должна соблюдать баланс между вырабатываемой мощностью и потребляемой мощностью, соответственно, возникающий дисбаланс влечет за собой снижение или увеличение частоты в энергосистеме, что не­допустимо. Традиционно при регулировании частоты в системе задействованы тепловые электростанции (КЭС, ГТЭС, ПГУ) и гидроэлек­тростанции (в зависимости от типа регулиро­вания). Однако обеспечение данных функций может негативно влиять на эффективность работы электростанций. Также необходимо отметить, что время отклика указанных выше типов станций может составлять от несколь­ких секунд до минут. СНЭ, в свою очередь, может обеспечивать аналогичные функции по регулированию частоты, с временем от­клика в миллисекунды.

СНЭ фактически являются альтернативой пиковой генерации, и их экономика опреде­ляется возможностью конкурировать с круп­ными «системными» электростанциями.

Регулирование скорости сброса и наброса нагрузки/мощности ВИЭ

Рост доли ВИЭ в энергосистеме снижает нагрузку на другие станции в энергосистеме, однако непостоянный и резко изменяющийся характер профиля мощности ВИЭ может вызывать определенные колебания мощности, что в перспективе потребует держать в «горячем» резерве мощности на маневреннных электростанциях. С целью интеграции большего объема ВИЭ и сохранение надеж­ного и эффективного функционирования системы СНЭ позволяет сглаживать (регули­ровать) величину изменения мощности как непосредственно на объектах ВИЭ, так и при подключении в других узлах системы. При резком снижении (отключении) нагрузки в системе СНЭ также способно обеспечить плавное снижение нагрузки. Таким образом, СНЭ обеспечивает статическую и динамиче­скую устойчивость.

Источник резервной мощности / источник резервного питания

В случае локальных повреждений и от­ключений, временных ремонтов сетевой инфраструктуры СНЭ способно обеспечить локальное электроснабжение с функцией бесперебойного питания, что повышает надежность и качество электроснабжения потребителей.

Компенсация реактивной мощности и регу­лирование напряжения

Интеграция СНЭ осуществляется за счет применения силовой преобразовательной техники, что позволяет использовать СНЭ в качестве потребителя или источника реак­тивной мощности и, соответственно, позво­ляет осуществить локальное регулирование напряжения.

Снижение затрат на сетевую инфраструк­туру

СНЭ, установленные в распределительных сетях, могут обеспечивать разгрузку центров питания распределительных сетей; обеспечивать дополнительную надежность в режиме источника бесперебойного питания (ИБП) в случае отключения элементов сетей высо­кого напряжения, а также при краткосрочных прерываниях электроснабжения; а также спо­собствовать повышению качества электроэнергии, стабилизировать напряжение.

В связи с возможностью использования СНЭ как элемента пиковой генерации воз­можно снизить затраты на сетевую инфра­структуру, исключив реконструкцию сетевого комплекса или подстанций.

Применение СНЭ непосредственно у потребителя имеет еще более широкий функционал. Дополнительно к описанным выше функциям можно добавить:

•   обеспечение бесперебойности работы непосредственно у потребителя при авариях в сети;

•   обеспечение качества электроэнергии для питания оборудования потребителя в зависимости от его чувствительности к непрерывности технологических про­цессов;

обеспечение дополнительной пиковой мощности без необходимости обраще­ния за технологическим присоединени­ем в сетевую компанию.

Интеграция СНЭ с возобновляемыми источниками энергии

Основной проблемой электростанций на базе ВИЭ является отсутствие возможности выдачи гарантированной мощности в связи со стохастическим характером возобновляе­мых ресурсов и сложностью их прогнозиро­вания. Более того, в зависимости от климатических условий выдаваемая мощность электростанций на базе ВИЭ может носить флуктуационный характер в связи с резким изменением погоды, например, резко пере­менная облачность приводит к резкому изме­нению мощности солнечной электростанции, резкие порывы ветра влияют на выработку ветроэлектростанций и т. д.

На основе вышесказанного можно выделить два направления интеграции СНЭ и ВИЭ:

• СНЭ непосредственно в границах электростанции ВИЭ (включая распределен­ную генерацию у потребителя);

• СНЭ и ВИЭ в рамках локального участка энергосистемы/энергоузла или изоли­рованной энергосистемы.

Применение СНЭ в границах электростан­ции ВИЭ позволяет обеспечить минимальную гарантированную мощность электростанции, прогнозируемость выработки станции в суточном диапазоне и повысить точность планового графика выдачи мощности. СНЭ позволит перераспределять профиль генерации в течение суток, накапливать излишки электроэнергии в зависимости от схемы интеграции СНЭ на электростанции, снизить флуктуационный характер выработки от ВИЭ. А в случаях применения СНЭ и ВИЭ у потребителя позволяет минимизировать/ исключить перетоки во внешнюю сеть и оп­тимизировать режимы работы собственного оборудования.

Также, как и упоминалось ранее, СНЭ позволит снизить затраты на сетевую инфра­структуру, обеспечив перераспределение мощности от ВИЭ в течение суток, исключив переток мощности из энергопрофицитных районов (в определенные часы работы), исключив затраты на реконструкцию узловых подстанций и сохранив объем экологически чистой электроэнергии в регионе.

Отдельно необходимо рассмотреть применение энергокомплексов на базе ВИЭ и СНЭ для электроснабжения изолированных энергосистем (объекты, удаленные от сетей централизованного электроснабжения). Не­целесообразность строительства длинных ли- ний электропередач для снабжения объектов относительно небольшой мощности делает решение по применению энергокомплексов на базе ВИЭ или комбинации ВИЭ и СНЭ конкурентоспособным решением уже сегодня. СНЭ выступает гарантирующим источником мощности и напряжения, а в совокупности с автоматизированной системой управления позволяет оптимально использовать ВИЭ для обеспечения надежного электроснабжения. Интеграция комплексов СНЭ и ВИЭ на па­раллельную работу с дизель-генераторными установками (станциями) позволяет экономить дорогое привозное дизельное топливо, снижать эксплуатационные расходы за счет отключения дизельной генерации в опре­деленные часы времени или оптимизации графика нагрузки на дизель-генераторные установки.

ГК «Хевел» уже реализовала ряд проектов в России  с применением СНЭ как на системном уровне (модернизация суще­ствующей СЭС 5МВт с применением СНЭ 580 кВт-ч, строительство СЭС мощностью 10 МВт иСНЭ4МВт/8МВт-ч),таки на автономном уровне (для изолированных регионов) ги­бридных комплексов СЭС + СНЭ для экономии топлива на дизель-электростанциях.

Технологии СНЭ

В настоящий момент СНЭ на базе литий- ионных технологий являются отработанным проверенным решением для задач инте­грации ВИЭ в энергосистему, выполнения системных услуг (регулирование частоты, напряжения и т. д.).

Основные технологии аккумуляторных батарей, которые используются в проектах, могут быть разбиты на следующие группы.

1) Свинцово-кислотные и щелочные аккумуляторы

Свинцово-кислотные, никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы являются традиционными технологиями электрохимических аккумуляторов, технологии работы ко­торых известны еще с начала прошлого века.

Есть модификации технологий, которые способны довести количество циклов для свинцовых АКБ до5и10тыс. соответственно.

2)   Натрий-серные аккумуляторы (NaS)

Это также достаточно старая проверенная технология, имеющая ряд недостатков, кото­рые привели к их вытеснению в значительной степени с рынка литий-ионной технологией. В рабочем состоянии электролит должен быть разогрет до 300-350 °С, что приводит к относительно высоким затратам энергии для поддержания батареи в работе, а также требует времени для перевода ее в рабочее состояние. Кроме того, высокая температура электролита делает батарею пожароопасной, с учетом высокой коррозийной способности расплавленного натриевого анода. В настоя­щее время имеются новые разработки в области низкотемпературных аккумуляторов на базе солей натрия.

3) Литий-ионные аккумуляторы

Накопители на базе литий-ионных технологий являются доминирующей технологией на сегодня. В настоящий момент в проектах присутствуют следующие основные типы технологий на базе Li-Ion:

• литий-титанат (LТО)

• литий-железо-фосфат(LFP)

•   литий-оксид-кобальт (LСО)

•   литий-никель-кобальт-алюминий (NCA)

•   литий-марганец-кобальт (NМС)

•   литий-оксид-магний (LMO)

4) Проточные аккумуляторы

Это относительно новая технология с ра­стущей долей рынка. Первые проекты начали появляться с 2012 года, что на два года позже, чем первые относительно крупные проекты на базе литий-ионных технологий. Из-за раз­вития технологий ВИЭ, которым свойственны не только суточные, но и сезонные нерав­номерности генерации, интерес вызывают проточные редокс-ванадиевые батареи и системы на основе водородного цикла.

5) Суперконденсаторы

Накопители, имеющие огромный (до нескольких сот тысяч циклов) ресурс циклиро­вания, но маленькую емкость и высокую стои­мость из расчета на кВт-ч. Суперконденсаторы предназначены для быстрого реагирования и выдачи мощности в короткие промежутки времени, что является актуальным в случае большой доли ВИЭ.

6) Электромеханические накопители

Как и суперконденсаторы, являются си­стемой накопления с очень малой емкостью. Маховики - нишевое решение, возможное к применению для потребителей, для которых важно качество, или в сочетании с дизелем - как резервный источник.

7) Системы на сжатом воздухе

Такие системы способны выдавать мощность продолжительное время. Сжатый воздух является технологией, применяемой, как правило, на оптовом рынке для достаточ­но больших групп потребителей.

Резюмируя сказанное

Применение СНЭ позволяет повысить гибкость энергосистемы, увеличить долю интеграции ВИЭ и обеспечить ряд функций для систем­ного оператора с целью повышения надежности и качества электроэнергии. Это влияет на стремительное развитие технологий СНЭ во всем мире. В настоящий момент наиболее применяемой и развитой технологией являются системы накопления на базе литий-ионных технологий.

Однако интеграция систем накопления требует и увеличения числа проектов, их применение - проработки и развития на всех этапах, таких как:

•     разработка технических решений и развитие технологий, позволяющих эффективное и экономически оправданное использова­ние СНЭ в зависимости от целей назначений в энергосистеме;

•     проработка нормативной документации и снятие административных барьеров со стороны всех участников энергетической отрас­ли (системный оператор, сетевые компании и энергосбытовые, генераторы электроэнергии, операторы рынка электроэнергии и мощности);

•     проработка прозрачных рыночных механизмов для стимулирования и возможности реализации проектов СНЭ.