Для реализации целей по достижению нулевого уровня выбросов, установленных во многих странах, необходимо значительное увеличение доли возобновляемых источников энергии - в основном энергии ветра и солнца в большинстве современных энергосистем. Рост объемов переменной, неуправляемой генерации из ВИЭ повышает потребность в гибкости энергосистем для балансировки колебаний спроса и предложения, а также усиливает необходимость в резервных мощностях для обеспечения надежного электроснабжения в течение нескольких часов, особенно в периоды пикового спроса или при нештатных ситуациях. Кроме того, такая ситуация создает дополнительные сложности для работы электросетей - как с точки зрения оперативного управления, так и с позиции обеспечения сетевой устойчивости. Таким образом, снижение предсказуемости и управляемости возобновляемых источников увеличивает потребность и в гибкости, и в резервировании мощностей.

Традиционно гибкость и резерв мощности обеспечиваются быстро реагирующими ресурсами, такими как парогазовые установки (ПГУ).

Аккумуляторные системы хранения энергии (BESS) представляют собой более экологичную альтернативу этим источникам, работающим на ископаемом топливе. Если ранее их основная роль сводилась к предоставле- нию вспомогательных услуг, то современные передовые системы BESS разрабатываются с возможностью выполнения сразу нескольких функций в различных временных диапазонах, позволяя:

• балансировать спрос и предложение;

• обеспечивать надежность электроснабжения;

• оптимизировать управление сетью и обеспечивать ее пропускную способность и стабильность.

По мере того как мир движется к достижению углеродной нейтральности , аккумуляторные системы играют ключевую роль в накоплении и рациональном использовании ценного безуглеродного электричества, которое в противном случае могло бы быть ограничено

- с экономическими и экологическими потерями, - а также в замещении жизненно важных, но пока еще основанных на ископаемом топливе источников эксплуатационной гибкости и резервов мощности.

Хранение энергии в аккумуляторах становится все более конкурентоспособным, обеспечивая пиковую мощность по стоимости, схожей с газовыми пиковыми установками. В США уже системы накопления энергии (СНЭ) выигрывают тендеры, а не газовые пиковые станции. В ЕС из-за роста стоимости энергии любая функция на основе хранения энергии в аккумуляторах теперь является более прибыльным бизнесом, чем раньше.

ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ С ПОМОЩЬЮ СНЭ

Основная роль накопителей энергии заключается в том, чтобы поглощать избыточную энергию, вырабатываемую из возобновляемых источников - как в случае превышения потребления, так и при перегрузке пропускной способности сетей - и возвращать ее в сеть в моменты потребности. Основным механизмом получения дохода при этом выступает арбитраж. Такая функция технически обозначается как «перераспределение энергии» и, как правило, реализуется системами накопления с продолжительностью разряда 2-4 часа, при этом наблюдается тенденция к увеличению длительности разряда. Большинство систем работают по схеме накопления-отдачи энергии в течение суток (например, накопление солнечной энергии в дневное время и ее отдача в вечерние часы), но некоторые системы могут достигать до двух циклов отдачи в день.

Основная модель получения дохода для BESS заключается в накоплении электроэнергии в периоды избыточного производства и низких рыночных цен, а затем в продаже этой электроэнергии, когда цены на рынке становятся высокими - как правило, в начале вечерних часов пик. Эту схему работы можно напрямую связать с ветряной или солнечной электростанцией. В таком случае оператор просто откладывает продажу ча-сти своей продукции на периоды, когда рыночные цены выше - это преобладающая модель работы и генерации дохода в США, стимулируемая налоговыми льготами, которые установлены Законом о снижении инфляции. BESS также может работать как независимый актив, поглощая и накапливая энергию из сети и затем возвращая ее обратно в сеть. В этом случае арбитраж, как правило, сочетается с оказанием дополнительных услуг для энергосистемы, таких как первичное и вторичное регулирование частоты. Такая модель является преобладающей в получении дохода в Европе.

Создание ценности усиливается в случае минимизации потерь возобновляемой энергии: энергия не теряется, а продается по рыночным ценам, при этом дополнительно достигается экономия за счет избегания затрат на замену (другими источниками энергии) и, возможно, на модернизацию электросетей. На сегодняшний день отмечается устойчивое увеличение объемов неиспользованной возобновляемой энергии, что сопровождается возрастающими издержками как с экономической, так и с экологической точки зрения.

Однако такие механизмы получения дохода основаны на свободных рынках и, следовательно, подвержены колебаниям рыночных цен, что рассматривается инвесторами как относительно высокий риск.

НАДЕЖНОСТЬ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

Недавний энергетический кризис, особенно в Европе, показал уязвимость энергетических систем, зависимых от природного газа (часто импортируемого) в условиях ограничений. В ряде стран создаются рынки резервных мощностей для обеспечения доступности энергии в периоды пикового спроса и чрезвычайных ситуаций (например, в морозные зимние вечера). Обычно требуемая продолжительность для рынков резервных мощностей составляет 2 часа, при этом наблюдается тенденция к увеличению этого времени.

Рынки мощности могут стать дополнительным источником дохода для операторов систем хранения энергии, поскольку контракты подписываются на многолетние сроки, а стабильные цены обеспечивают надежный и предсказуемый доход для инвесторов.

Недавний энергетический кризис, особенно в Европе, показал уязвимость энергетических систем, зависимых от природного газа (часто импортируемого) в условиях ограничений.

 УСЛУГИ ДЛЯ СЕТЕЙ

Помимо вышеупомянутых функций балансировки и обеспечения безопасности энергоснабжения, вклад и конкурентоспособность, BESS в услугах регулирования частоты и поддержки напряжения хорошо зарекомендованы и используются операторами транзитных и распределительных сетей как важнейший инструмент для обеспечения стабильности напряжения и частоты в энергетических системах. BESS заняли значительную долю на рынках регулирования частоты в ряде стран.

Однако постоянно растущее использование возобновляемых источников энергии переменной мощности (ветровая и солнечная энергия) создает новые вызовы для операторов сетей, в частности, проблемы с перегрузками сетей, а также вопросы их стабильности и устойчивости.

Перегрузки сетей связаны с разрозненным расположением ветряных и солнечных электростанций, которые более распределены по территории по сравнению с традиционными электростанциями, но в то же время возникают «горячие точки» генерации возобновляемой энергии в местах, не предусмотренных текущей топологией сети. Ярким примером является колоссальное производство ветровой энергии в северном прибрежном районе Германии, что создает проблему для операторов сетей по транспортировке энергии в южные регионы, где сосредоточены основные энергоемкие отрасли. В краткосрочной перспективе эта ситуация приводит к сокращению производства энергии и увеличению затрат на управление диспетчеризацией и подачей энергии в сеть. Например, в 2024 году в Германии снижение выработки возобновляемой энергии достигло 9,3 ТВтч, что на 50% больше по сравнению с уровнем 2021 года и составляет 3% от общей выработки возобновляемой энергии в стране.

Стабильность сети может быть под угрозой из-за сокращения объемов регулируемой базовой генерации - обычно крупных синхронных генераторов - и последующего увеличения доли асинхронных возобновляемых энергетических установок, подключенных через технологии, основанные на инверторах. Процесс замещения не только снижает возможности оператора по управлению распределением энергии, но и приводит к уменьшению инерции сети, что делает ее более уязвимой к резким колебаниям мощности, авариям или другим непредсказуемым инцидентам. Недостаток инерции может привести к очень быстрому коллапсу частоты сети в случае потери крупного генераторного узла или линии передачи.

Современные BESS предлагают эффективные технические методы для устранения различных проблем в рамках единой системы. Они могут поддерживать четыре ключевых области управления сетью, которые обычно находятся в ведении операторов системы передачи:

- Услуги поддержки частоты: помимо существующих первичной и вторичной регуляции частоты, BESS могут предоставлять поддержку инерции, комбинируя возможности формирования сети инверторами с возможностью подачи активной мощности за миллисекунды.

-             Услуги по операционному управлению. BESS решают три основные проблемы: перегрузка, ограничение подачи энергии и резерв мощностей. Эти системы могут временно разгружать линии передачи, накапливая энергию до появления узких мест в сети, тем самым предотвращая ограничения подачи энергии. BESS могут либо заменить, либо дополнить другие технологии, применяемые операторами. Например, технология DLR (динамическое определение допустимой токовой нагрузки линии) и управление потоком мощности.

-             Услуги компенсации напряжения: BESS могут обеспечивать их как на уровне распределения, так и на уровне передачи, тем самым устраняя потребность в решениях, требующих значительных капитальных затрат. Благодаря способности корректировать коэффициент мощности и вводить активную мощность в сеть BESS способны компенсировать реактивную мощность (VAR) и поддерживать нормативный уровень напряжения в распределительных сетях, а также компенсировать потери напряжения при передаче энергии в магистральных сетях.

-             Восстановление электроснабжения. Во время запуска обесточенного участка сети аккумуляторные системы могут заменить дорогостоящие резервные источники на ископаемом топливе. Услуги запуска с обесточенного состояния необходимы для повторного ввода в работу участков сети после отключения.

Важно понимать, что одна BESS может обеспечивать сразу несколько функций - при условии, что она правильно рассчитана, спроектирована и грамотно управляется в эксплуатации. Как правило, вышеупомянутые услуги требуются не одновременно, поэтому распространенной практикой является «резервирование» конкретных функций на определенные периоды дня, недели или года. Тем не менее с технической точки зрения возможно совмещение нескольких функций, например, переключение с режима перераспределения энергии на регулирование частоты. Один из примеров реализации такого подхода - система EdReg на Тайване.

Модели получения дохода за услуги регулирования частоты (резерв первичного регулирования частоты (FCR), резерв вторичного регулирования частоты (FRR), резерв мощности и арбитраж становятся все более устоявшимися во многих странах. Также все чаще операторы включают в регулирование частоты инерционные услуги (например, вспомогательные услуги по регулированию частоты (FCAS) в Австралии или услуга динамического регулирования частоты в Великобритании). Использование BESS для управления перегрузками в сетях пока находится на начальной стадии: регулирующие органы только начинают определять услуги и схемы оплаты, которые позволили бы операторам магистральных и распределительных сетей закупать такие услуги со стороны, а не владеть и управлять системами самостоятельно - что во многих странах либо прямо запрещено, либо считается нежелательной практикой. Исключениями из этого правила являются, например, проекты Gridboosters («Ускорители сети») в Германии  и демонстрационная установка Ringo во Франции. Сегодня мы наблюдаем первые попытки создания локальных рынков управления энергией в Великобритании, Франции, Испании и Австралии. Ярким примером служит платформа GOPACS в Нидерландах. Эти рынки вознаграждают локальные решения для регулирования нагрузки, которые предоставляют системы накопления энергии или технологии управления спросом, способные забирать или отдавать энергию в определенных точках сети в нужное время. Создаваемая для системы ценность основывается на сокращении затрат на перераспределение и ограничение генерации, а также на снижении расходов на усиление сети и поддержание ее стабильности, таких как замена проводов существующих линий или инвестиции в новые линии и другие инерционные средства.

Очевидно, что ценности, создаваемой только одной услугой, обычно недостаточно для построения устойчивой экономической модели для BESS. Сегодня широко применяется практика комплексного использования услуг для захвата нескольких источников дохода, а также для снижения рисков возврата инвестиций путем комбинирования рыночных и контрактных услуг и возможности изменения схемы работы системы на протяжении ее срока службы с целью оптимизации доходных потоков. Это оказывает прямое влияние на проектирование BESS, в основном в трех областях:

- Пропускная способность энергетической системы: в целях совмещения различных услуг BESS все чаще используются с более чем одним циклом выработки и отдачи энергии в сутки. В периоды интенсивного использования одна батарея должна быть способна выдерживать несколько циклов накопления и отдачи энергии при различных глубинах разряда (DOD), что приводит к общему объему энергии, проходящему через батарею, эквивалентному 300% ее полной емкости за 24 часа. Это предъявляет высокие требования к системе терморегулирования.

-             Цифровизация играет ключевую роль в удаленном мониторинге BESS и обеспечении их максимальной доступности, особенно когда системы увеличиваются в размерах и когда модели их работы становятся сложными, динамичными и изменяющимися со временем.

-             Безопасность: многомегаваттные BESS больше не предназначены исключительно для удаленных районов. Поскольку они должны обеспечивать местные возможности для регулирования нагрузки, их все чаще устанавливают в местах с высокой плотностью инфраструктуры и населения, а также на промышленных объектах и в центрах обработки данных. Это требует все более строгих требований безопасности к BESS и отказа от подхода «оставить все как есть» (let it burn) в таких местах.

ПОСЛЕДНИЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ СНЭ

В настоящее время наблюдается растущая тенденция к увеличению плотности энергии, улучшению архитектуры систем и цифровизации.

УВЕЛИЧЕНИЕ МАСШТАБА БЕЗ УЩЕРБА ДЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ И КИБЕРБЕЗОПАСНОСТИ

Сегодня системы мощностью 100 МВт на два часа (200 МВт.ч) или четыре часа (400 МВт.ч) являются обычным явлением, и мы начинаем наблюдать установку систем на уровне гигаватт. Для этого требуется больше контейнеров с системами накопления энергии. Таким образом, пространство для установки становится все более серьезной проблемой, учитывая, что контейнеры с батареями должны быть подключены к системам преобразования энергии (PCS) и трансформаторам, а также установлены на безопасном расстоянии, обеспечивающем доступ для технического обслуживания. Как учесть необходимость экономии пространства, при этом обеспечив высочайший уровень безопасности?

С момента, как первый контейнер с литий-ионными батареями покинул фабрики компании Saft в 2012 году, энергетическая плотность одного 20-футового контейнера увеличилась в 10 раз: с 500 кВтч до 5,1 МВгч на сегодняшний день. Хотя более крупные размеры и высокая плотность литий-ионных аккумуляторов позволяют достигать таких показателей, инженерная задача заключается в разработке и сертификации высокоэффективных решений для аккумуляторных систем, которые можно транспортировать в любую точку мира, а также в обеспечении надежной работы в течение 15-20 лет при соблюдении высочайших стандартов безопасности, эффективном охлаждении в минимальных объемах пространства и высокой энергоэффективности.

Новейшее поколение литий-ионных аккумуляторных систем BESS компании Saft под названием Intensium® Flex обеспечивает 5,1 МВты емкости в 20-футовых контейнерах по стандартам ISO. Продукт производится на наших заводах с соблюдением строгих стандартов качества и разработан, протестирован и сертифицирован нашими инженерами. Он отвечает ряду важнейших требований:

• Интеграция собственной электроники управления (BMS) на всех уровнях - от модуля до системы. В сочетании с жестким процессом квалификационного тестирования и закупкой компонентов в Европе и США система управления превосходит отраслевые стандарты по надежности и кибербезопасности.

•             Система жидкостного охлаждения, обеспечивающая температурную однородность между всеми модулями батарей, даже при экстремальных условиях окружающей среды, с высокой энергоэффективностью.

•             Подход к безопасности, основанный на анализе рисков, который включает в себя избыточные электронные и физические барьеры безопасности на нескольких уровнях для управления, в том числе рисками возгораний и взрывов. Подход Saft к безопасности является комплексным, он учитывает наихудшие сценарии на уровне продукта, при установке на объекте, а также с участием обслуживающего персонала и пожарных.

Размер всей системы BESS также зависит от количества и размеров систем преобразования энергии (PCS), необходимых для преобразования постоянного тока от нескольких контейнеров в переменный. Система управления Saft поддерживает точную работу до восьми контейнеров одновременно, благодаря чему к одной системе преобразования энергии может быть подключено свыше 40 МВт-ч. Это позволяет Saft разрабатывать архитектуры систем, основываясь на самых крупных и экономически оптимизированных системах преобразования энергии, доступных на рынке.

Повышенная энергетическая плотность контейнерных модулей в сочетании с современными системами управления, продуманной системой безопасности и компактной установкой по принципу оперативного подключения (plug-and-play) представляет собой качественный скачок в развитии технологий. Таким образом, отрасль получила возможность развертывать промышленные системы накопления энергии с длительностью сдвига нагрузки до восьми часов, одновременно сокращая требуемую площадь и сроки монтажа в два-три раза.

 ВЫВОДЫ

Наступает переломный момент. Большинство стран - а вместе с ними и национальные энергетические стратегии - признают необходимость инвестиций как в гибкость энергосистем, так и в увеличение пропускной способности сетей, чтобы интегрировать масштабные объемы энергии ветра и солнца и достичь поставленных целей по снижению углеродных выбросов. BESS - это не только эффективная альтернатива гибким решениям, основанным на использовании ис-копаемых видов топлива, но и важнейший инструмент, позволяющий получать, хранить и использовать энергию в случаях необходимости. Таким образом, они играют ключевую роль в балансировке спроса и предложения, формировании резервов мощности и предотвращении перегрузок в сетях и ограничений выработки, то есть позволяют избежать потерь энергии - ресурса, который становится все более ценным в современном мире.

Имея опыт установки и реализации проектов BESS объемом более 7,5 ГВт-ч по всему миру, компания Saft предоставляет разработчикам комплексную экспертизу в области аккумуляторных систем хранения энергии - от начального этапа проектирования до ввода в эксплуатацию и вывода из эксплуатации. Наш бренд воплощает надежные и гарантированно эффективные технические решения, высокое качество реализации проектов и долгосрочную сервисную поддержку, обеспечивая тем самым окупаемость долгоиграющих аккумуляторных систем.