Электрический накопитель: Накопители электроэнергии для частного дома – купить, цены

Накопители энергии для эффективной работы энергосистемы | Публикации

С самого момента появления электрических сетей большой проблемой была зависимость уровня потребления энергии от времени суток. В наше время к ней прибавилась зависимость выработки электроэнергии от множества факторов, быстро меняющихся в течение дня. Да, увы, такова плата за прогресс — внедрение альтернативной энергетики. Помочь решить проблему способны накопители электроэнергии.

Для гармонизации пиков производства и потребления электроэнергии нужно использовать накопители большой емкости. И в первую очередь следует определиться, где их устанавливать.

Загорская ГАЭС

Накопитель, установленный на электростанции

Довольно распространенное решение в солнечной энергетике. В готовый комплект солнечных панелей, применяемых в жилом секторе, как правило, входят аккумулятор и контроллер, управляющий его зарядом-разрядом. В итоге пользователь получает привычный ему интерфейс — стандартную розетку, с которой можно стабильно снимать мощность не выше определенного значения. На солнечных электростанциях, работающих по технологии Thermal Solar, а это, как правило, очень крупная электрогенерация, под действием солнца плавятся минеральные соли, их расплав держит тепло длительное время, хоть всю ночь. Благодаря данной особенности генерация электричества стабильно происходит круглые сутки.

Накопитель, установленный у потребителя

Решение, активно продвигаемое сейчас на рынок рядом производителей, в том числе компанией Tesla. Аккумулятор заряжается от сети в промежуток времени, который задал контроллеру пользователь. Например, это может быть временной интервал, когда цены на электроэнергию самые низкие. Тогда накопитель позволяет экономить средства клиента, а для электросетевой компании — получить реальный эффект снижения пиковой нагрузки на сеть за счет применения нескольких тарифов в зависимости от времени суток. Другое преимущество — появляется возможность подключать к электросети приборы с большей мощностью, чем позволяет линия электропередачи, идущая к клиенту. Накопитель потихоньку запасает энергию на протяжении длительного промежутка времени, а затем отдает большую мощность на протяжении относительно короткого промежутка времени. Скажем, не позволяют провода, идущие к потребителю, передавать ток более 10 А.

Но современные электропечи для кухни потребляют не менее 16 А. Выход простой — ставим накопитель. Пока вы спите или занимаетесь своими делами, он в течение 4 часов накапливает нужное количество энергии, отдавая потом в электропечь на протяжении 2 часов ток 16 А, позволяя вам запечь индейку (пример учитывает потери в преобразователе и аккумуляторе).

Накопитель, установленный в ключевых узлах электросети

Идея, на самом деле, довольно старая. Например, в 1987 году рядом с Москвой была построена Загорская гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС), позволяющая сгладить пики потребления, характерные для большого города. Самый известный проект, реализованный в 2017 году — увеличение суммарной подключаемой мощности в одном из удаленных регионов Австралии без реконструкции ЛЭП. Компания Tesla поставила гигантский накопитель, который равномерно запасает электроэнергию, не создавая ярко выраженных пиковых нагрузок на ЛЭП, что позволило избежать ее реконструкции. Но клиенты электрической компании могут получать от накопителя на пиках потребления гораздо большую мощность, чем могла бы выдержать ЛЭП.

В зависимости от места установки определяется емкость накопителя. Емкость накопителя, используемого в солнечных электростанциях для индивидуального применения, составляет не более 2 кВтч. Накопители, устанавливаемые у бытового потребителя, имеют емкость не более 7 кВтч. Для промышленных потребителей под заказ изготавливают накопители емкостью 100 кВтч. Что же касается накопителей, устанавливаемых в узлах энергосистемы, то их емкость составляет порядка сотен МВт — единиц ГВт.

Аккумуляторы

Для накопителей, выравнивающих энергопотребление, обычные свинцово-кислотные аккумуляторы не подходят. Это связано с малым количеством циклов заряда-разряда, а также необходимостью обслуживания аккумуляторов (при-ходится регулярно доливать дистиллированную воду из-за испарения электролита). В солнечных электростанциях небольшой мощности применяются так называемые гелевые аккумуляторы. В них электролит находится не в форме жидкости, а в форме геля. Такие аккумуляторы не требуют обслуживания. Их недостатком является то, что при зарядке свыше номинального уровня они быстро выходят из строя, но эта проблема решается при помощи современных микропроцессорных контроллеров. Уникальным преимуществом гелевых аккумуляторов является их возможность работы при низких (до —15°С) температурах. Благодаря этому нет необходимости специально отапливать накопитель, размещенный на улице, достаточно тепла, отводимого от контроллера.

Более совершенными являются никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы. Они надежны и обеспечивают сохранение большего количества энергии в меньшем объеме. Тем не менее для накопителей энергии, сглаживающих пики потребления в сети, данные аккумуляторы непригодны из-за ярко выраженного «эффекта памяти». При неполном разряде и последующем заряде емкость аккумулятора снижается. Требуется полностью разряжать аккумулятор и потом заряжать его до 100%. Для рассматриваемого применения такие аккумуляторы непригодны. Более продвинутые никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы обладают большей емкостью, «эффект памяти» в них менее выражен, но все-таки присутствует.

Аккумуляторы типоразмера 18650 используются в электромобилях,
и они же являются основой накопителей энергии

Наиболее популярным сейчас являются литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Именно их сейчас используют в накопителях, устанавливаемых непосредственно у потребителей, а также в ключевых местах электросети. Кстати, идея создания накопителя, стоящего у потребителя дома, возникла из необходимости использования аккумуляторов типоразмера 18650, применяемых в электромобилях. По мере износа аккумуляторной батареи в электромобиле производитель забирает ее себе обратно (почему — будет сказано далее). Аккумуляторы, которые уже не могут обеспечить нужную тягу электромобилю, тем не менее подходят для использования в бытовом накопителе энергии. После всестороннего тестирования их туда и ставят. Что же касается накопителей, устанавливаемых на узлах электросети, то в них используют новые аккумуляторные батареи, но есть проекты построения таких накопителей и на основе аккумуляторов, ранее стоявших в электромобилях.

Накопитель Tesla Powerwall 2

Преимуществами Li-Ion аккумуляторов являются: высокая плотность накапливаемой энергии, пренебрежительно малый уровень «эффекта памяти», низкое выходное сопротивление, что позволяет на пиках нагрузки отдавать потребителю большую мощность. Но есть и недостатки. При неправильных зарядке и эксплуатации аккумуляторы не просто выходят из строя, они могут воспламеняться и даже взрываться. Проблема решается с помощью микропроцессорных контроллеров в зарядных устройствах, тем не менее, иногда такие устройства могут давать сбои. Литий — чрезвычайно токсичный химический элемент, вот почему производители электромобилей в обязательном порядке забирают себе обратно отработавшие свое аккумуляторы. Наконец, запасы лития в мире ограничены, уже в ближайшее время прогнозируется нехватка этого металла.

Большие надежды возлагаются на так называемые водородные аккумуляторы, в которых вода расщепляется путем электролиза на кислород и водород. Энергия хранится в виде водорода, который потом используется для выработки электричества. В настоящее время по-прежнему этот проект находится на стадии исследований, так как водород взрывоопасен и легко улетучивается из резервуара, где он хранится.

Суперконденсаторы

Принципиальным недостатком аккумуляторов является то, что электрическая энергия в них при заряде превращается в химическую, а при разряде — из химической в электрическую. Такие преобразования обуславливают потери энергии, а также ограниченное количество циклов заряд-разряд (до 3000 у массово выпускаемых Li-Ion аккумуляторов).

Решение проблемы заключается в том, чтобы накапливать непосредственно электрическую энергию в конденсаторе. В накопителях применяют так называемые суперконденсаторы (другие названия — ультраконденсаторы, ионисторы) емкостью от 1000 Ф каждый, соединенные в большие массивы.

Суперконденсаторы — перспективная технология, но пока она слишком дорогостоящая

Ультраконденсаторы имеют КПД, близкий к 100%, количество циклов заряда-разряда у них практически не ограничено. И, что немаловажно, суперконденсаторы безопасны в эксплуатации и не содержат вредных для природы веществ.

К недостаткам суперконденсаторов следует отнести дороговизну этих устройств, а также сопутствующего оборудования. Кроме этого, по плотности хранения энергии суперконденсаторы пока уступают Li-Ion аккумуляторам, что обуславливает большие размеры накопителей.

В сша был проведен эксперимент по использованию накопителя на суперконденсаторах в солнечной электростанции, питающей кампус крупного университета. В итоге эффективность работы электростанции возросла в 1,5 раза по сравнению с использованием li-ion аккумуляторов. Но пока широкого применения для сглаживания пиков энергопотребления конденсаторы не получили.

ГАЭС

Гидроаккумулирующая электростанция состоит из нижнего водохранилища, верхнего водохранилища и реверсивных турбин. При избытке электроэнергии в регионе турбины потребляют энергию, поднимая воду из нижнего водохранилища в верхнее. При недостатке электроэнергии турбины переходят в режим генерации, вода из верхнего водохранилища поступает в нижнее, в результате вырабатывается электроэнергия.

Недостатком ГАЭС является то, что при их строительстве приходится вмешиваться в уже сложившиеся природные комплексы. Кроме этого, наиболее успешные проекты ГАЭС были реализованы в горной местности, где есть твердые горные породы и легко обеспечить перепад уровней между двумя водохранилищами. Строительство Загорской ГАЭС в Московской области сопровождалось большими трудностями, связанными с оползнями, из-за чего на полную мощность электростанция заработала в 2003 году. Вторую очередь Загорской ГАЭС начали строить в 2007 году, и, по тем же причинам, на момент написания статьи строительство так и не было завершено.

Зеленчукская ГЭС-ГАЭС

Пневматические системы

Принцип их работы достаточно прост. С помощью насоса сжимается воздух и закачивается в резервуар. При необходимости расходования электроэнергии воздух выпускается из резервуара, проходя через турбину, вырабатывающую электроэнергию. Идея тоже древняя, относится к XIX веку. Главный недостаток — КПД не превышает 55%. Тем не менее в XX веке аккумулирующие электростанции на основе сжатого воздуха широко использовались в США и Германии. Кстати, в Германии для закачки воздуха использовались заброшенные соляные шахты. Но потом все сошло на нет — последняя электростанция на сжатом воздухе была запущена в США в 1991 году.

В 2010-х годах идею возродили, и на деньги Европейского союза запущен исследовательский проект Ricas 2020, направленный на поиск новых способов использования сжатого воздуха для накопления энергии с более высоким КПД. Но пока ни о каких реальных результатах не известно.

Супермаховик

Накапливать электроэнергию можно и в механическом виде. Раскрутить тяжелый маховик, и он некоторое время будет вращаться, приводя в действие генератор. Для того, чтобы не мешало трение воздуха, маховик вращается внутри герметичного кожуха, из которого откачан воздух. Технически реализовать эту идею очень просто, КПД достигает 98%. Выпускаются накопители на супермаховиках с емкостью до 25 кВтч. Но широкого применения они пока не получили. Причина заключается в том, что не удается быстро управлять отдачей электроэнергии в сеть. Кроме этого, со временем частота вращения маховика падает, и мощность, отдаваемая накопителем в сеть, падает.

Электромобиль как накопитель

В электромобиле есть аккумуляторы, выпрямитель и инвертор — все элементы накопителя для выравнивания пиков потребления электроэнергии. Почему бы не задействовать электромобиль в качестве накопителя энергии, пока он стоит в гараже?

Компании Renault и Nissan уже выпускают электромобили, способные отдавать энергию, накопленную в аккумуляторе. А Schneider Electric создала электрическую зарядную станцию, поддерживающую данную функцию. В Великобритании рассматривается вопрос о том, что-бы предоставлять электромобилям бесплатную парковку в обмен на определенное количество электроэнергии, отдаваемое во время стоянки в сеть.

Компания Renault начала выпуск электромобилей, способных работать как накопители

Наконец, в той же Великобритании рассматривается законопроект, обязывающий владельцев электромобилей подключать их к электросети для выравнивания баланса все то время, пока они не ездят. С 2018 года компания Renault проводит масштабный эксперимент на португальском острове Мадейра по испытанию технологии обратной поставки электроэнергии в сеть от электромобиля.

Будущее — за распределенным хранением энергии?

Технологии сглаживания пиков выработки электроэнергии и ее потребления, существовавшие до недавних пор, исходили из реалий XX века — централизованной энергосистемы без возможности управления оборудованием, установленным у клиента. Установка гигантского накопителя на аккумуляторах в Австралии — это всего лишь способ улучшить энергосистему, созданную в прошлом веке, но не изменить ее кардинально.

С распространением альтернативной энергетики генерация становится все более децентрализованной. При этом уже нельзя точно определить место в энергосистеме, куда следует подключить гигантский аккумулятор, чтобы выровнять баланс. По мнению автора статьи, будущее принадлежит не только децентрализованной генерации, но и децентрализованному хранению электроэнергии. В каждой квартире, в каждом офисе или заводе будет стоять локальный накопитель электроэнергии. Путем предоставления скидок или жесткого законодательного регулирования пользователя простимулируют (обяжут) подключать такой накопитель к управляющей системе. Электроэнергетическая компания будет с помощью технологии «Интернета вещей» дистанционно регулировать процесс накопления электроэнергии и отдачи ее в сеть. Тем самым будут сглаживаться пики выработки и потребления электроэнергии.

На самом деле, «первой ласточкой» такого подхода уже стали серьезные вложения британского правительства в разработку технологии использования электромобилей как накопителей для электросети и проект законодательно обязать владельцев электромобилей использовать их в таком качестве.

В итоге гигантские накопители энергии вроде ГАЭС или же огромной аккумуляторной батареи, установленной в австралийской пустыне, станут просто не нужны. Накопление электроэнергии будет осуществляться только у пользователей, в недорогих компактных устройствах. Развитие технологии суперконденсаторов позволит обеспечить надежность и безопасность таких накопителей.

79086-20: НЭП-К Накопители электрических параметров

Назначение

Накопители электрических параметров НЭП-К (далее по тексту — НЭП-К) предназначены для измерений среднеквадратического значения фазного напряжения переменного тока и среднеквадратического значения силы переменного тока, а также накопления и хранения в энергонезависимой памяти значений электрических параметров электроприводной арматуры (далее по тексту — ЭПА).

Описание

НЭП-К являются преобразователями измерительными, и их принцип действия основан на измерении среднеквадратических значений напряжения и силы переменного тока синусоидальной формы путем измерения мгновенных значений с использованием 12-16-ти разрядного аналого-цифрового преобразователя (далее по тексту — АЦП) при частоте дискретизации до 25 кГц.

НЭП-К выпускаются в двух исполнениях НЭП-К ДКНБ.468157.004 и НЭП-К ДКНБ.468157.004-01, отличающихся комплектностью.

Исполнение НЭП-К ДКНБ.468157.004 состоит из:

—    модуля НЭП-512М ДКНБ.687281.137;

—    датчика тока ДТ-3П ДКНБ.433649.005;

—    датчика напряжения ДН-3П ДКНБ.433649.006;

—    кабеля сигнального НЭП-512-Б-К ДКНБ.685623.021.

Исполнение НЭП-К ДКНБ.468157.004-01 состоит из:

—    модуля измерительного НЭП-512С ДКНБ.687281.013;

—    модуля измерительного МДТН-КР ДКНБ.687281.012-05;

—    кабеля сигнального НЭП-512-S ДКНБ.685623.007.

Каждая составная часть НЭП-К заключены в отдельный металлический противопожарный корпус, и соединены между собой кабелем сигнальным.

НЭП-К выполняет следующие функции:

—    принимает сигналы среднеквадратического значения фазного напряжения переменного тока;

—    принимает сигналы среднеквадратического значения силы переменного тока;

—    принимает сигналы силы переменного тока от концевых выключателей и отображает полученные значения во внешнем программном обеспечении;

—    преобразовывает принятые сигналы во вторичные сигналы напряжения переменного

тока;

—    имеет гальваническую развязку сигналов;

—    измеряет принятые и преобразованные вторичные сигналы напряжения переменного

тока;

—    обеспечивает хранение результатов измерений на карте памяти в виде файлов;

—    поддерживает операции по обмену данными с персональным компьютером (далее по тексту — ПК) по каналам Ethernet и USB.

Общий вид НЭП-К ДКНБ.468157.004 представлен на рисунке 1, НЭП-К ДКНБ.468157.004-01 — на рисунке 2. Схема пломбирования от несанкционированного доступа НЭП-К ДКНБ.468157.004 представлена на рисунках 3, 4, 5, НЭП-К ДКНБ.468157.004-01 — на рисунках 6, 7.

/

Пломбировочная

наклейка

Рисунок 7 — Место пломбирования от несанкционированного доступа

модуля МДТН-КР

Программное обеспечение

НЭП-К имеет встроенное и внешнее программное обеспечение (далее по тексту — ПО). Встроенное ПО НЭП-К реализовано аппаратно и является метрологически значимым. Встроенное ПО НЭП-К может быть проверено, установлено или переустановлено только на заводе-изготовителе с использованием специальных программно-технических средств.

Идентификационные данные встроенного и внешнего ПО приведены в таблице 1. Внешнее ПО предназначено для отображения записанных или сохраненных сигналов электроприводной арматуры и не является метрологически значимым.

Уровень защиты встроенного ПО от непреднамеренных и преднамеренных изменений -«высокий» в соответствии с Р 50.2.077-2014.

Технические характеристики

Таблица 2 — Метрологические характеристики НЭП-К

Таблица 3 — Основные технические характеристики

Знак утверждения типа

наносят на табличку НЭП-К методом термопечати или трафаретной печати и на титульные листы формуляра и руководства по эксплуатации типографским способом.

Таблица 4 — Комплектность НЭП-К

Поверка

осуществляется по документу ДКНБ.468157.004ПМ «Накопители электрических параметров НЭП-К. Методика поверки», утвержденному с ООО «ИЦРМ» 27.02.2020 г.

Основное средство поверки:

— калибратор многофункциональный Fluke 5502Е (регистрационный номер в Федеральном информационном фонде № 55804-13).

Допускается применение аналогичных средств поверки, обеспечивающих определение метрологических характеристик поверяемых НЭП-К с требуемой точностью.

Знак поверки наносится на свидетельство о поверке и (или) в формуляр.

Сведения о методах измерений

приведены в эксплуатационном документе.

Нормативные документы

ГОСТ 22261-94 Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия

ДКНБ.468157.004ТУ Накопители электрических параметров НЭП-К. Технические условия

Хранилище энергии | Департамент энергетики

Одной из отличительных характеристик электроэнергетического сектора является то, что количество электроэнергии, которое может быть произведено, является относительно фиксированным в течение коротких периодов времени, хотя спрос на электроэнергию колеблется в течение дня. Разработка технологии хранения электроэнергии, чтобы она могла быть доступна для удовлетворения спроса, когда это необходимо, станет крупным прорывом в распределении электроэнергии. Помогая в достижении этой цели, накопители электроэнергии могут управлять количеством энергии, необходимой для снабжения потребителей в периоды наибольшей потребности, то есть во время пиковой нагрузки. Эти устройства также могут помочь сделать возобновляемую энергию, мощность которой не может контролироваться операторами сети, плавной и управляемой.

Они также могут балансировать микросети для достижения хорошего соответствия между генерацией и нагрузкой. Устройства хранения могут обеспечивать регулировку частоты для поддержания баланса между нагрузкой сети и вырабатываемой мощностью, а также обеспечивать более надежное электроснабжение высокотехнологичных промышленных объектов. Таким образом, накопление энергии и силовая электроника имеют большие перспективы для преобразования электроэнергетики.

Высоковольтная силовая электроника, такая как переключатели, инверторы и контроллеры, позволяет точно и быстро управлять электроэнергией для обеспечения передачи на большие расстояния. Эта возможность позволит системе эффективно реагировать на помехи и работать более эффективно, тем самым уменьшая потребность в дополнительной инфраструктуре. Основной задачей, которую решает Министерство энергетики, является снижение стоимости технологий накопления энергии и силовой электроники, а также ускорение их принятия рынком.

Программа накопления энергии OE

Поскольку технология накопления энергии может применяться в ряде областей, которые различаются по мощности и требованиям к энергии, Программа накопления энергии OE проводит исследования и разработки по широкому спектру технологий накопления. Эта широкая технологическая база включает в себя батареи (как обычные, так и усовершенствованные), электрохимические конденсаторы, маховики, силовую электронику, системы управления и программные инструменты для оптимизации хранения и определения размеров. Программа накопления энергии тесно сотрудничает с отраслевыми партнерами, и многие из ее проектов осуществляются с высокой долей участия в расходах.

Программа также сотрудничает с коммунальными предприятиями и энергетическими организациями штата, такими как Энергетическая комиссия Калифорнии, Массачусетский центр чистой энергии (MASS CEC), Министерство энергетики штата Орегон, Вермонт, Гавайи, Вашингтон и Управление энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк (NYSERDA), чтобы назвать некоторые, чтобы спроектировать, закупить, установить и ввести в эксплуатацию крупные новаторские установки хранения, которые имеют размер до нескольких мегаватт. Он также поддерживает аналитические исследования технических и экономических характеристик технологий хранения, а также технические оценки как компонентов систем ES, так и операционных систем. Усовершенствованное хранение энергии может обеспечить множество преимуществ как для энергетической отрасли, так и для ее клиентов. Среди этих преимуществ:

• Улучшение качества электроэнергии и надежность доставки электроэнергии потребителям;
• Повышенная стабильность и надежность систем передачи и распределения;
• Более широкое использование существующего оборудования, тем самым откладывая или устраняя дорогостоящие обновления;
• Улучшенная доступность и повышенная рыночная стоимость распределенных источников генерации;
• Повышение ценности производства возобновляемой энергии; и
• Снижение затрат за счет отсрочки платежей за мощность и передачу.

Программа накопления энергии также направлена ​​на повышение плотности накопления энергии путем проведения исследований в области передовых электролитов для проточных батарей, разработки низкотемпературных натриевых батарей, а также наноструктурированных электродов с улучшенными электрохимическими свойствами. В Power Electronics ведутся исследования новых высоковольтных, мощных, высокочастотных материалов с широкой запрещенной зоной, таких как карбид кремния и нитрид галлия. Кроме того, усовершенствованные системы преобразования энергии, использующие усовершенствованные магниты, высоковольтные конденсаторы, корпуса и усовершенствованные элементы управления, постоянно совершенствуются для значительного увеличения удельной мощности и производительности.

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ

• Программа систем накопления энергии Sandia National Lab
• Глобальная база данных DOE по хранению энергии
   

Снимок для длительного хранения

Краткое изложение Снимок для длительного хранения со ссылкой на загружаемый PDF-файл.

Energy Storage Grand Challenge

Energy Storage Grand Challenge поддерживает мировое лидерство Америки в области хранения энергии.

Grid Storage Launchpad

Сетевое хранение энергии является ключом к модернизации энергосистемы и раскрытию широкого спектра экономических и социальных преимуществ.

Energy Storage Systems Program

Узнайте, как программа ESS сотрудничает в разработке передовых технологий и систем накопления энергии.

Аккумулирование электроэнергии — Центр климатических и энергетических решенийЦентр климатических и энергетических решений

Краткий обзор

• Аккумулирование электроэнергии может упростить обслуживание клиентов в периоды повышенного спроса без увеличения мощностей по производству электроэнергии.
• Аккумулирование электроэнергии также может повысить предсказуемость интеграции возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, в энергосистему.
• В настоящее время глобальная мощность хранения составляет менее 2 процентов от общей мощности по производству электроэнергии.
• Стоимость батарей за последние несколько лет значительно снизилась, и ожидается, что она продолжит снижаться. Хранение электроэнергии также может помочь снизить затраты, потенциально отсрочив необходимость строительства новой передачи или генерации.

Преимущества

Технология накопления электроэнергии может упростить развертывание возобновляемых источников энергии в больших масштабах, обеспечивая электроэнергию, когда возобновляемые источники не могут этого сделать. Энергия ветра производит электроэнергию только тогда, когда дует ветер, а солнечная энергия — только когда светит солнце, что затрудняет согласование предложения электроэнергии со спросом. Традиционная базовая нагрузка (например, угольная и атомная) и другая управляемая (например, природный газ) генерация могут быть запланированы для производства электроэнергии в определенных количествах в определенное время.

Технология хранения, однако, может использовать электроэнергию, произведенную возобновляемыми источниками энергии, в периоды непиковой нагрузки и подавать ее в сеть в периоды пиковой нагрузки. Использование накопленной электроэнергии из возобновляемых источников энергии вместо увеличения выработки электроэнергии на ископаемом топливе может сократить выбросы парниковых газов. Эти сокращения могут быть максимальными, если смесь электроэнергии, используемой для зарядки технологии хранения, будет очень низкоуглеродной. Тем не менее, хранение электроэнергии может увеличить выбросы парниковых газов, если электроэнергия от менее дорогих угольных электростанций с высоким содержанием углерода будет храниться и заменять более дорогую пиковую мощность от генераторов природного газа с более низким уровнем выбросов углерода.

Хранение может отсрочить инвестиции в новую генерацию и передачу, повысив надежность и стабильность сети при меньших затратах. Кроме того, накопление энергии может обеспечить другие преимущества, известные как вспомогательные услуги, которые необходимы для эффективной, стабильной и надежной электросети. Хранение также может помочь во время экстремальных погодных явлений. Во время урагана «Мария» в 2017 году накопители энергии мощностью 20 МВт обеспечили критическую надежность сети в Доминиканской Республике.

Описание

Существует несколько методов хранения, различающихся количеством хранимой энергии, длительностью времени хранения и скоростью высвобождения накопленной энергии. Некоторые технологии больше подходят для обеспечения коротких всплесков электроэнергии для приложений, обеспечивающих качество электроэнергии, например, сглаживание выработки возобновляемых источников энергии от часа к часу (и, в меньшей степени, в пределах временной шкалы секунд и минут). Некоторое высокочувствительное оборудование, такое как компьютеры, может выйти из строя, если поток электроэнергии не будет плавным и предсказуемым.

Другие технологии полезны для хранения и высвобождения больших объемов электроэнергии в течение более длительных периодов времени (известные как пиковое сглаживание, выравнивание нагрузки или энергетический арбитраж). Возобновляемая электроэнергия или другая доступная продукция могут храниться в периоды низкого спроса и высвобождаться в периоды более высокого спроса. Например, ветряные электростанции часто производят больше энергии ночью, когда скорость ветра высока, а спрос на электроэнергию низок. Накопление электроэнергии можно было бы использовать для переноса этого производства на периоды повышенного спроса. Точно так же хранилище может улавливать избыточную ночную выработку на атомной электростанции с базовой нагрузкой.

Однодневный профиль нагрузки крупной системы накопления электроэнергии.

Использование хранения электроэнергии ограничено по сравнению с показателями хранения на других рынках энергии, таких как природный газ или нефть, где используются хранилища и резервуары. Глобальная емкость для хранения электроэнергии по состоянию на сентябрь 2017 года составляла 176 гигаватт (ГВт), что составляет менее 2 процентов от мировых мощностей по производству электроэнергии. Из этой глобальной емкости хранения 24 ГВт приходится на Соединенные Штаты (около 2,2 процента производственных мощностей США).

Основные технологические варианты, развернутые во всем мире, включают:

• Насосные гидроаккумуляторы – Насосные гидроаккумуляторы используют дешевую электроэнергию, вырабатываемую в периоды низкого спроса, для перекачивания воды из резервуара более низкого уровня (например, озера) в более высокий -высотный резервуар. В периоды высокого спроса на электроэнергию (и более высоких цен) вода сбрасывается в нижний резервуар, при этом турбины вращаются для выработки электроэнергии, как на обычных гидроэлектростанциях. Насосные гидроаккумуляторы подходят для выравнивания нагрузки, поскольку они могут быть построены с большой мощностью 100–1000 мегаватт (МВт) и разряжаться в течение длительного времени (7–13 часов или дольше). Более 90 процентов мощностей хранения энергии в США приходится на гидроперекачку. В Соединенных Штатах установлено 22 ГВт электроэнергии на 50 действующих ГЭС. Использование этой технологии ограничено наличием подходящих географических мест.
• Аккумуляторы – Для хранения электроэнергии можно использовать несколько типов крупногабаритных аккумуляторов, включая натрий-серные (NaS), ионно-литиевые и проточные батареи. В отличие от традиционных аккумуляторов, проточные аккумуляторы используют топливо, которое не относится к аккумулятору. Топливо проходит через батарею для выработки электроэнергии посредством электрохимического процесса. Батареи могут использоваться как для обеспечения качества электроэнергии, так и для выравнивания нагрузки. Кроме того, когда электромобили получат более широкое распространение, их батареи можно будет использовать для хранения энергии, предоставления вспомогательных или регулирующих услуг. В некоторых случаях они могут предоставлять услуги выравнивания нагрузки или энергетического арбитража путем подзарядки при низком спросе для обеспечения электроэнергией во время пикового спроса. Литий-ионные батареи имеют самую высокую установленную емкость в мире, за ними следуют натриевые и свинцово-кислотные батареи. Есть 950 МВт проверенных Министерством энергетики США (DOE) коммерческих проектов батарей, работающих по всему миру.
• Аккумулирование энергии со сжатым воздухом (CAES) — это гибридная технология производства и хранения, в которой электричество используется для нагнетания воздуха под высоким давлением в подземные геологические образования. Когда спрос на электроэнергию высок, воздух под высоким давлением выбрасывается из-под земли и помогает питать турбины, работающие на природном газе. Сжатый воздух позволяет турбинам вырабатывать электроэнергию, используя значительно меньше природного газа. CAES также подходит для выравнивания нагрузки, потому что он может быть построен с мощностью в несколько сотен МВт и разряжаться в течение длительных периодов времени. В мире есть два действующих проекта CAES, среди нескольких небольших демонстрационных проектов.

Другие формы хранения энергии включают: хранение тепловой энергии (TES), водородные топливные элементы и газовые турбины, работающие на водороде, маховики, ультраконденсаторы и сверхпроводящие магнитные накопители энергии (SMES).

Стоимость

Предварительные капитальные затраты на хранение электроэнергии зависят от технологии и мощности. Общие капитальные затраты на единицу мощности для большинства технологий хранения высоки по сравнению с электростанцией, работающей на природном газе, в размере 1000–1350 долларов США за кВт.

Исследование Lazard, опубликованное в декабре 2016 года, показало, что стоимость большинства технологий хранения аккумуляторов снизилась, хотя стоимость варьируется в зависимости от типа технологии и ее использования. Капитальные затраты на литий-ионные аккумуляторы, например, снизились на 24%, до 386–917 долл. США/кВтч, по сравнению с предыдущим исследованием Лазарда в 2015 году. Ниже приведена таблица, в которой обобщены текущие капитальные затраты на другие технологии хранения.

ИСТОЧНИК

Lazard (2016)

Кроме того, Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) прогнозирует снижение капитальных затрат на батареи в ближайшие несколько лет:

Аккумуляторная система хранения электроэнергии Потенциал снижения стоимости энергии, 2016-2030 гг.

Варианты политики

Цена на углерод

Цена на углерод, такая как программа ограничения и торговли парниковыми газами, повысит стоимость электроэнергии, произведенной из ископаемых видов топлива, по сравнению с низкоуглеродными источниками. В этом случае хранение электроэнергии будет иметь повышенную ценность, если можно будет хранить относительно недорогое низкоуглеродное электричество для замены углеродоемкой энергии.

Ценообразование на электроэнергию в режиме реального времени

Если бы с потребителей взималась динамичная цена за электроэнергию в режиме реального времени, высокая стоимость пиковой электроэнергии была бы прозрачной, а инвестиции в накопление электроэнергии для снижения пиковой нагрузки имели бы большую ценность. Национальная интеллектуальная сеть будет способствовать ценообразованию на электроэнергию в режиме реального времени. Калифорния начала перевод своих коммерческих, промышленных и сельскохозяйственных клиентов на эту структуру ценообразования в результате директивы Калифорнийской комиссии по коммунальным предприятиям.

Мандаты

Мандаты по всему штату могут расширить внедрение технологий хранения электроэнергии. Калифорния, Массачусетс, Невада, Нью-Йорк и Орегон ввели мандаты на хранение в разных масштабах по всему штату.

Рынки вспомогательных электрических услуг

Технологии накопления электроэнергии выиграют от получения цен, установленных конкурентными рынками для вспомогательных электрических услуг, таких как регулирование, промежуточный резерв и отслеживание нагрузки.

Ослабление ограничений на владение

Аккумуляторы электроэнергии могут выполнять функции производства и передачи, но существующие нерегулируемые рынки электроэнергии налагают ограничения на то, кто может владеть такими объектами. Снятие ограничений на владение объектами хранения энергии конечными потребителями, владельцами передающих или распределительными компаниями может способствовать более широкому проникновению на рынок.

Интеграция накопления электроэнергии в планирование передачи

При принятии решений о новых линиях электропередачи может учитываться расположение крупных хранилищ электроэнергии, центров спроса и генерирующих мощностей. Инвестиции в накопление энергии часто обходятся дешевле, чем строительство новых линий электропередачи. Федеральная комиссия по регулированию энергетики может изменить правила таким образом, чтобы накопление энергии подпадало под действие стимулов ценообразования на передачу и являлось частью процесса планирования передачи.

Фундаментальные и прикладные исследования и разработки

Низкая эффективность заряда/разряда, малый срок службы и высокие капитальные затраты делают большинство технологий хранения электроэнергии менее конкурентоспособными с экономической точки зрения для сглаживания возобновляемых источников энергии или предоставления качественных услуг по сравнению с электростанциями, которые предоставляют аналогичные услуги. Инвестиции и стимулы в фундаментальные и прикладные исследования и разработки повысят производительность существующих технологий и поддержат прорывы в технологиях хранения энергии следующего поколения. В 2016 году программа Министерства энергетики США ARPA-E выделила 37 миллионов долларов на новую программу, чтобы определить, как твердоионные проводники могут улучшить накопление энергии за счет увеличения емкости батареи и предотвращения коротких замыканий и деградации.

Проблемы

Высокие капитальные затраты

Капитальные затраты на большинство технологий хранения электроэнергии по-прежнему высоки по сравнению с генераторами природного газа, которые предоставляют аналогичные услуги, но затраты на батареи в последнее время значительно снизились, и ожидается, что они продолжат расти Сделай так.

Потребность в крупномасштабных демонстрационных проектах

Технологии накопления электроэнергии, такие как CAES, требуют нескольких крупномасштабных демонстрационных проектов, прежде чем руководители коммунальных служб будут уверены в том, что будут вкладывать в них средства. Другие типы хранения, такие как SMES, также потребуют крупномасштабных демонстраций, прежде чем они смогут получить более широкое распространение.

Процессы планирования передачи

При планировании передачи учитывается только расположение центров спроса и объектов генерации. В результате географически удаленные хранилища электроэнергии, такие как ГЭС или ЦАЭС, имеют ограниченный доступ к передающей сети.

Регуляторные барьеры

Федеральные правила и правила штата рассматривают накопление электроэнергии как тип технологии производства электроэнергии, а не как инвестиции в пропускную способность. Таким образом, компаниям по передаче и распределению запрещается владеть накопителями электроэнергии. Еще одним препятствием является отсутствие разделения тарифов на коммунальные услуги в штатах. Поскольку прибыль коммунальных предприятий обычно привязана к объему продаж энергии, существует стимул продавать больше энергии. При разделении с большей вероятностью будут продвигаться такие программы, как энергоэффективность и более широкое развертывание накопителей энергии.