Рынки электроэнергии по всей Европе наблюдают рост возобновляемых источников энергии, при этом уровень производства энергии из возобновляемых источников обогнал производство из ископаемых видов топлива по всей Европе в 2019 году. Хотя в последние годы темпы роста замедлились, каждый новый год отмечаются рекорды в отношении доли производства электроэнергии из возобновляемых источников.
Преимущественно, рост генерации возобновляемой энергии происходит от увеличения уровня генерации от ветряных электростанций и, исторически, от солнечных источников, хотя гидроэлектростанции остаются основным источником генерации возобновляемой энергии на европейских рынках.
Этот рост может привести к проблемам с безопасностью поставок, но наиболее важным является поддержание стабильной работы энергосистем, которые были рассчитаны на большие централизованные тепловые электростанции. Это также означает обеспечение достаточного объема производства для удовлетворения спроса в периоды, когда объём производства из возобновляемых источников энергии является низким.
В большинстве стран Европы, решение на сегодняшний день заключалось в механизмах поддержки мощностей и стимулирования строительства новых электростанций, которые способны удовлетворять спрос в периоды, когда возобновляемые источники производства являются низкими. Эти механизмы в основном обеспечивают поддержку тепловых электростанций и позволяют управлять энергоснабжением, но замедляют закрытие углеродо-эмиссионных активов.
Движущие силы, создаваемые этими механизмами (которые часто благосклонны станциям с высоким уровнем загрязнения) и европейский рынок выбросов СО2, способствуют переходу от угля к газу, но еще не способствуют переходу к углеродно нейтральному миру.
Некоторые рынки, например, Ирландия и Великобритания, приближаются к точке, в которой возобновляемые источники энергии в определенные периоды превышают 50% объёма, что создает проблемы для работы энергосистемы.
Некоторые из операторов передающих систем (TSO) публикуют сценарии перспективных энергетических проектов, чтобы посмотреть на возможные топливные комбинации в будущем, особенно Национальная энергосистема Великобритании, которая публикует свои сценарии будущего энергетики.
Диаграмма на рисунке 1 показывает сценарий высокой доли возобновляемой энергии с прогнозом среднего спроса. На этом графике показано, что установленные возобновляемые источники энергии будут иметь возможность выработать больше энергии, чем требуемый спрос и, хотя экспорт через интерконнекторы может справиться с этим избытком, вполне вероятно, что в соседних странах также может возникнуть избыток.
Диаграммы на рис. 2 и 3 показывают прогноз генерации комбинации для Великобритании в 2030 году и на произвольный летний двухнедельный период. Они были созданы с использованием передовой модели EnAppSys и предполагают 2 фазы энергетического сценария Национальной Сети в будущем. Можно наблюдать периоды избыточной генерации возобновляемой энергии и периоды её низкой генерации. В этих сценариях генерация тепловой энергии используется для удовлетворения спроса в периоды дефицита, а избыточная генерация возобновляемой энергии сокращена.
Системы аккумулирования энергии и технологии интеллектуальных энергосистем Smart Grid идеально подходят для работы с этим типом топливной комбинации, чтобы сократить использование ископаемого топлива, ограничить сокращение производства с нулевым содержанием углерода и внести вклад в обеспечение стабильности энергосистемы в целом, обеспечивая прогресс для достижения чистого нулевого целевого показателя.
Технология интеллектуальных энергосистем, обеспечивающая эти преимущества, имеет функции, позволяющие измерять потребление энергии в режиме реального времени, объединяться с некоторыми моделями, определяющими будущие потребности в точке измерения, и иметь определенный уровень управления либо посредством действий для удовлетворения требований пользователя, либо автоматически изменять уровень потребления. Некоторые объекты, которые производят и/или аккумулируют энергию, также смогут обеспечить экспорт в рамках ответа на спрос.
Для подлинной декарбонизации потребуются различные типы хранения энергии, которые предлагают сочетание краткосрочных, среднесрочных и долгосрочных технологий хранения энергии с нулевым углеродным следом. Периоды, когда выработка возобновляемой энергии является низкой или высокой в течение длительных периодов времени, не могут управляться с помощью технологии интеллектуальных сетей и/или кратковременного хранения энергии.
Кроме того, когда выпуск возобновляемой энергии является низким в течение устойчивых периодов (например - дней), потребуется долгосрочное хранение (стратегический резерв).
На рисунке 4 показана предыдущая структура топлива с комбинацией накопления энергии и технологии интеллектуальных энергосистем, варьирующих как спрос, так и предложение, чтобы максимально использовать генерацию с нулевым выбросом углерода.
Сочетание хранения “перед счетчиком” и хранения “после счетчика” позволяет более точно согласовывать кривую потребности с кривой генерации. Пики в генерации возобновляемой энергии либо хранятся для использования в периоды высокого спроса, либо пики спроса уравниваются за счёт перемещения некритичного по времени потребления электроэнергии на периоды высокого производства возобновляемой энергии. Это уже происходит, но пока не в том масштабе, который ожидается.
В этих диаграммах используется прогноз топливного рынка Великобритании на 2030 год с высокой долей возобновляемых источников энергии и предполагается, что не будет экспорта избыточных запасов возобновляемых источников энергии через интер-коннекторы.
Чтобы задействовать всю энергию с нулевым выбросом углерода, которая может быть получена с помощью комбинации хранения и реагирования спроса, это примерно в пять раз превышает емкость импорта текущего хранилища в Великобритании и представляет более чем 1000-кратную емкость хранилища. В то время как используемый сценарий является сценарием с наивысшей массой возобновляемой энергии, он иллюстрирует необходимость значительного наращивания недорогих «массовых» хранилищ на рынке с высокой интенсивностью производства энергии ветра и солнечной энергии.
Технологии
В настоящее время большая часть систем хранения энергии обеспечивается литий-ионными аккумуляторами, причем прогресс обусловлен ростом количества портативных электронных устройств питания в автомобильном секторе, также в настоящее время улучшение аккумуляторов направлено на накопления энергии в масштабе сети.
Рынок Великобритании, возможно, стал свидетелем наибольшего развертывания производства литий-ионных батарей за последние пять лет благодаря строительству ряда проектов, мощность которых близка к 1 ГВт или находится в стадии завершения. Следует отметить, что в основном эти проекты были построены для решения прежней проблемы с повышенным использованием возобновляемых источников энергии, т. е. для стабильности сети.
Установленные на сегодняшний день проекты, как правило, являются быстрыми (менее одной секунды), краткосрочными (менее одного часа) и предназначены для обеспечения частотной поддержки для поддержания поставок. Основная причина этого заключается в том, что текущие капитальные затраты на эту технологию означают, что она требует более высокой разницы в ценах между импортом и экспортом, чем в настоящее время на европейских рынках электроэнергии, чтобы они были экономически выгодными в условиях чистой арбитражной операции. В настоящее время требуется доплата за их скорость, но при снижении капитальных затрат и улучшении технических характеристик это может измениться.
Литий-ионные аккумуляторы подходят для использования в домашних условиях, и уже существуют коммерческие продукты, такие как Tesla Powerwall.
По мере роста электромобилей установка аккумуляторов может совместно использовать ключевую инфраструктуру (инверторы и т. д.) с инфраструктурой зарядки, что делает их взаимодополняющими и обеспечивает мощные возможности интеллектуальной сети.
В настоящее время разрабатываются поточные батареи, как правило, не являющиеся накопителями энергии в твердом состоянии, однако уровень осуществленных R&D инвестиций значительно ниже, чем в случае литий-ионных, поскольку они еще не имеют того же потребительского применения, что и легкие энергоемкие накопители. Эта технология способна обеспечить длительное хранение, а для некоторых технологий, которые используют вращающееся оборудование, - обеспечение инерции сети, реактивной мощности и устойчивости к сбоям в сети, для которых были разработаны большинство энергосистем в Европе.
В будущем потенциал гибридного хранения с участием твердотельных аккумуляторов для быстрой скорости, в сочетании с проточными аккумуляторами для длительного хранения и, возможно, с определенными технологиями, обеспечивающими инерцию сети, является вариантом для будущего. С технологической точки зрения все элементы присутствуют, но драйверы не настолько развиты для этой комбинации способностей.
Старейшими системами накопления, как в Великобритании, так и по всей Европе, являются гидростанции. Это, как правило, быстро действующие (до двух минут), долгосрочные активы, предлагающие от четырех часов устойчивого производства до более 12 часов в планировании для некоторых проектов. В Европе средний возраст станций составляет около 30 лет, и хотя новые устройства уже есть в работе, они еще редкость, поскольку требуют больших предварительных капиталовложений и, следовательно, идеально долгосрочной определенности доходов.
Одним из средств накопления энергии, которое также будет способствовать декарбонизации систем отопления, а также использованию существующей инфраструктуры генерации, является водород, в идеале производимый за счет избыточной возобновляемой энергии или технологий улавливания углерода. Это имеет преимущество, заключающееся в возможности использования существующей инфраструктуры хранения газа и газогенерирующих активов для обеспечения гибкой и, что более важно, устойчивой генерации в периоды низкой возобновляемой добычи, что упрощает переход к “чистому нулю”. В приведенных выше тематических исследованиях производство, использование и хранение зеленого водорода в существующей инфраструктуре хранения и передачи природного газа позволило бы обезуглероживать тепловую генерацию и теплоснабжение.
Возможности интеллектуальных энергосистем со стороны потребления растут по всей Европе с развертыванием интеллектуальных счетчиков.
«Гибкие» тарифы теперь существуют в Великобритании, где ценовые сигналы передаются потребителям; они платят в режиме реального времени, и это влияет на их использование энергии.
Барьеры
Основным препятствием на пути внедрения технологий хранения энергии и интеллектуальных энергосистем для обеспечения устойчивой энергосистемы является необходимый уровень инвестиций. Развитие требует уверенности в доходах для инвестиционного сообщества и должно быть доступным для потребителя в случае бытового применения.
Механизмы поощрения за хранение энергии и за использование технологии интеллектуальной энергосистемы недостаточно хорошо развиты.
Большая часть инвестиций в эту технологию требует, чтобы основная часть ее дохода была получена через рынки, что может быть финансово трудно. На потребительском рынке внедрение интеллектуальных счетчиков помогает рынку, но использование этих возможностей по-прежнему ограничено.
По мере того, как увеличиваются инвестиции в технологии хранения, и чем больше они действуют для обеспечения перехода к чистому нулю, тем ниже доходность активов, если они работают на чистых доходах с рынка.
Причина этого заключается в том, что они получают свои доходы от разброса цен между периодами высокого спроса и низкого спроса; и чем больше спрос соответствует генерации, тем ниже этот разброс цен. Для мощностей, которые также получают доход от предоставления услуг по стабилизации сети, количество установленных мощностей, необходимое для баланса спроса и предложения, может создать избыточную конкуренцию за предоставление этих услуг, что ведет к очень низким ценам.
Инструменты реализации
Признание определенных средне- и долгосрочных мощностей хранения в качестве сетевой инфраструктуры позволило бы операторам систем создавать и/или приобретать хранилище как часть своей общей программы инвестиций в сеть, или же иметь поддержку посредством механизмов аналогично интерконнекторам. Это помогло бы более стратегически развернуть хранение энергии, чтобы либо сократить потоки передачи, либо покрыть резерв на длительный срок.
На некоторых рынках дальнейшее внедрение метеозависимых возобновляемых технологий требует от разработчиков построения хранилищ энергии для поддержки своих технологий. Это создает рынок для этих проектов и долю поддержки, оказываемой возобновляемым источникам энергии.
В настоящее время, процессы поддержки возобновляемой енергетики/нулевого выброса углерода могут быть ориентированы на новые технологии, а в центре внимания правительств остается требование уравновесить любые негативные аспекты развернутой технологии. Например, в морских проектах Великобритании поддерживается механизм CfD (Контракты на разницу), и тогда правительство имеет механизм рынка мощностей для противодействия влиянию высоких объемов возобновляемых источников энергии, и оператор системы обеспечивает альтернативную гибкую генерацию для удовлетворения требований к стабильности енергосистеми.
Для расширения этого есть потенциал и тендерные процессы, направленные на закупку электроэнергии с нулевым или низким уровнем выбросов углерода, способной соответствовать спросу и предложению, позволят разработчикам объединиться и внедрять инновации для предоставления решений с портфельным подходом. Это позволило бы найти наиболее полное решение для обеспечения чистой нулевой энергией и даже включить в него элемент реагирования на спрос. Потребители, включенные в интеллектуальные энергосистемы, могут помочь ряду технологий обеспечить генерацию и распределение с нулевым выбросом углерода.
Механизмы рынка, ориентированные на хранение энергии, могли бы, в качестве альтернативы, обеспечивать такой вид инвестиционной поддержки, который стимулирует инвестиции в традиционную добычу энергии.
В настоящее время накопление энергии положительно не поощряется в механизмах поддержки мощностей из-за коэффициентов понижения.
Заключение
Технологии хранения энергии и интеллектуальных энергосистем развиваются быстрыми темпами, а проекты, обеспечивающие положительные выгоды для системы, развертываются по всей Европе. Признается потенциальный вклад, который они могут внести в устойчивое энергоснабжение, и большинство операторов систем и правительств поощряют его за счет внедрения интеллектуальных счетчиков и модификации работы системы для распознавания меняющейся структури генерации.
Несмотря на это, достигнутый к настоящему времени прогресс, возможно, отстаёт, о чём свидетельствуют вопросы, выявленные при отключении электроэнергии в Великобритании в августе 2019 года.
На наш взгляд, рыночных структур, которые позволили бы хранению энергии и технологиям интеллектуальных энергосистем реализовать свой потенциал и сыграть свою роль в обеспечении устойчивого энергоснабжения в Европе, пока нет. Хотя есть инициативы, испытания и схемы, которые поддерживают инвестиции, не ясно, масштабируемы ли они и что существует ли консенсус для того, чтобы европейский рынок принял общесистемный подход.
В настоящее время акцент делается на переход от старого мира к новому, а не на том, как в идеале должна выглядеть конечная система. Вполне может быть, что мы должны принять решение о пункте назначения, прежде чем можно будет составить действительно эффективную карту того, как достичь этой точки.
Впервые эта статья появилась в разделе E-S.N "Storage & Smart Power" ежеквартального журнала Solar Media PV Tech Power 22, доступного сейчас в качестве бесплатного скачивания из PV Tech Store.
Изображение обложки: Climator, 10MW парк батарей в Великобритании. Кредит: VLC, низкоуглеродистый / NEC.
Перевод публикации на русский: медиадепартамент Energy Club.
Источник
