Як технології накопичення енергії трансформують глобальний енергоринок

Практика виробництва "зеленої" енергії в Україні і світі разом із перевагами виявила й низку проблем, які наразі є очевидними. Одна з них – це нерівномірне виробництво електроенергії з вітру і сонця не лише протягом року, а й протягом доби. 

Збалансувати цю нерівномірність можна за допомогою маневрових потужностей, однак це не завжди є оптимальним рішенням. Тому чи не найактуальнішим для сектору ВДЕ є питання зберігання "чистої" електроенергії. 

Власне, від його вирішення залежать успішність та темпи "зеленого переходу". Отже, сьогодні – про технології зберігання електроенергії.

Розгортання систем накопичення енергії в Європі 

У березні 2023 року Єврокомісія ухвалила перелік рекомендацій, які мають сприяти більш широкому розгортанню систем накопичувачів енергії. В основу їх розробки лягли Європейська зелена угода та пакет законодавчих ініціатив "Fit for 55". 

Це два стратегічних документи, метою яких є досягнення цілей кліматичної нейтральності. Крім цього, великий вплив на ухвалення зазначених рекомендацій мало повномасштабне вторгнення росії в Україну, а також план REPowerEU. Звичайно, усе це відбувається на тлі загальної політики ЄС щодо припинення залежності від російських енергоносіїв.

У рекомендаціях враховано прогноз, що частка відновлюваної енергії досягне 69% до 2030 року та 80% до 2050 року (з 37% у 2021-му). Стрімке зростання потребуватиме більш гнучкої енергосистеми. 

За оцінками Єврокомісії, гнучкість мережі сягне 24% (288 ТВт·год) загального попиту на електроенергію в ЄС у 2030 році та 30% (2189 ТВт·год) до 2050 року в усіх часових масштабах (з 11% у 2021-му). 

Світовий ринок систем накопичення енергії зростатиме

На початку січня 2023 року Bloomberg New Energy Finance спрогнозував цьогорічне зростання світового ринку систем зберігання енергії вдвічі. Глобальний ринок зберігання енергії продовжуватиме зростати, додавши приблизно 28 ГВт/69 ГВт·год накопичувачів енергії до кінця 2023 року. Очікується, що витрати на зберігання електроенергії залишаться високими у 2023 році, а в наступному знизяться.

В агентстві прогнозують, що, попри появу та розвиток новітніх технологій тривалого зберігання електроенергії, цього року інвестори зроблять ставку на насосні гідроакумулятори. 

Вони припускають, що це може призвести до більшого обсягу інвестицій у насосні гідрогенератори, ніж в інші довгострокові технології зберігання енергії.

Технології зберігання енергії

Їх класифікують, власне, за самим принципом зберігання. П’ять категорій відображають п’ять принципів: хімічний, механічний, електричний, термальний, електро-хімічний. Технології в кожній категорії не є вичерпним переліком, адже вони швидко з’являються, змінюються, розвиваються. 

Гідроакумулювальні електростанції

У часи низького попиту на електроенергію ГАЕС закачує воду у верхню водойму. У години пікових навантажень ГАЕС працює в турбінному режимі - вода з верхньої водойми скидається у нижню через агрегати, а отримана електроенергія подається в енергосистему. 

На ГАЕС згідно з останнім звітом International Hydropower Association припадало близько 90% накопичувальних потужностей та енергії, що зберігається в енергосистемах всього світу. Станом на 2022 рік обсяг накопичувачів на ГАЕС становив більше 9000 ГВт·год. Понад 50% від встановлених потужностей у світі зосереджені в США, Японії та Китаї.

За прогнозами Міжнародного енергетичного агентства (ІЕА) частка ГАЕС у чистому прирості гідроенергетики складатиме 30% до 2030 року. 

Такі висновки в агентстві роблять на основі зростаючої потреби енергоринків у гнучкості системи та накопичувачах для полегшення інтеграції нестабільної відновлюваної енергії. 

В ІЕА зазначають, що ГАЕС залишатимуться ключовим джерелом потужностей для зберігання електроенергії. Там очікують, що до 2030 року глобальна потужність ГАЕС за рахунок нових проєктів зростатиме.

Акумуляторні системи зберігання енергії

Проєкти з будівництва ГАЕС дуже капіталоємні, їх реалізація іноді триває десятиліттями (залежно від потужностей), а інвестиції вважаються досить ризикованими. Альтернатива – акумуляторні системи зберігання енергії (battery energy storage systems, BESS).

Світовий ринок BESS стрімко зростає. Про це свідчать дослідження McKinsey & Company, опубліковані в серпні 2023 року. За оцінками експертів, у 2022 році в BESS було інвестовано понад $5 млрд — це майже втричі більше, ніж у 2021-му. Вони прогнозують, що до 2030 року глобальний ринок BESS сягне $120-150 млрд. 

Розгортання потужностей BESS уже відбувається, причому в дуже великих масштабах. Підтвердження того – результати, яких досягла компанія Tesla у 2022 році. За підсумками року її потужності BESS зросли на 64% проти попереднього року і сягнули 6,5 ГВт-год.

Минулого року, відповідно до досліджень LCP Delta та Aurora Energy Research, Європа досягла 4,5 ГВт ємності накопичувачів, у 2030-му зросте до 42ГВт, а до 2050 року сягне 95ГВт. 

Фахівці McKinsey&Company переконані, що у довгостроковій перспективі розгортання BESS відбуватиметься завдяки розбудові сонячних парків і вітрових електростанцій, яким знадобляться батареї для короткочасного зберігання.

Що стосується технології BESS, то наразі найбільш розповсюдженими є зберігання за допомогою літій-іонних батарей. 

Серед переваг літій-іонних батарей – велика ємність, тривалий термін служби, низький рівень саморозряду, швидкий час заряджання та доступність. Проте є й недоліки. По-перше, це зростаючий дефіцит критичних мінералів (літію та кобальту) і високі ціни на них. Через це більшість країн впроваджують окрему політику щодо критичних мінералів. По друге - екологічні проблеми, пов’язані з видобутком та утилізацією. 

Це змушує шукати альтернативні рішення, такі як, наприклад, твердотільні батареї (solid state battery) та натрій-іонні батареї. 

У перших використовують твердий електроліт (полімер, кераміка, скло) замість рідкого, і це значно підвищує щільність енергії. Саме цього вимагає "зелена" енергетика. Крім цього, вони швидше заряджаються і мають кращі характеристики безпеки. Їх також легше переробляти, що зменшує їхній вуглецевий слід, це дуже важливий чинник.

Поки що технологія твердотільних батарей дорожча за технологію літій-іонних батарей. Наразі вона сприймається як технологія майбутнього, але "прототипи" її вже є – наприклад, елементи живлення в кардіостимуляторах. Вчені переконані, що твердотільні батареї з часом стануть таким же явищем, як сьогодні літій-іонні. 

Вони зможуть живити все – від гаджета до електромобіля, а з розвитком технологій стати одним з мережевих рішень накопичення енергії. За інформацією Bloomberg Finance, такі виробники акумуляторів, як LG Energy Solution, CATL, а також такі стартапи, як Solid Power, Prologium і Quantumscape вже оприлюднили чіткі плани комерціалізації твердотільних акумуляторів протягом цього десятиліття.

Натрій-іонні батареї працюють так само, як і літій-іонні, і навіть структура в них однакова – два електроди, розділені електролітом. Єдина відмінність – замість літію в них використовується натрій. До переваг таких батарей можна віднести нижчу собівартість (натрій дешевший за літій), високу швидкість заряджання, вищу екологічність, якщо порівняти з літій-іонними.

Що стосується недоліків, то це низька щільність енергії - менше 160 Вт·год /кг, в той час як у літієвих вона значно вища (у Китаї нещодавно виготовили літій-іонні акумулятори, які перезаряджаються з енергетичною щільністю понад 700 Вт·год/кг). Крім цього, натрій-іонні батареї мають більшу вагу та розміри (через те, що іони натрію більші за іони літію і, відповідно, потрібні більші електроліти та електроди).

Втім ці недоліки не зупиняють розробників. У червні китайський виробник електрокарів BYD оголосив про спільне з Huaihai Holding Group виробництво іонно-натрієвих акумуляторів для електромобілів. Китайці переконані, що розширення виробництва натрій-іонних акумуляторів буде зростати паралельно попиту на акумулятори для міні-автомобілів у Китаї та, зрештою, у всьому світі.

Отже, можна спрогнозувати, що протягом кількох наступних років вдосконаляться існуючі та з’являтися нові технології акумуляторних елементів. Чи можна буде їх масштабувати та інтегрувати до мережевих систем зберігання енергії, залежить від цін на сировину, яка використовується у їх виробництві, їх переваг перед існуючими технологіями і термінів – наскільки швидко їх можна буде вивести на ринок. З огляду на екологічні вимоги, важливим параметром залишиться можливість їх переробки та утилізації. 

Водень

Уже сьогодні водень є дуже перспективним рішенням для майбутніх систем зберігання енергії. Суть технології полягає в тому, що надлишкова електроенергія з відновлюваних джерел, яка виробляється в період непікового навантаження на мережу за допомогою електролізерів (лужних або водних) перетворюється на водень. 

У цей момент він стає "зеленим", адже вироблений з ВДЕ, і перетворюється на безвуглецеве (це важливо, в зв’язку із кліматичними цілями) джерело енергії, яку можна використати для виробництва електроенергії, коли попит на неї великий – в години пікових навантажень, завдяки чому збалансувати мережу. 

У звіті Hydrogen Council (глобальна ініціатива керівників провідних енергетичних, транспортних, промислових та інвестиційних компаній з єдиним і довгостроковим баченням розвитку водневої економіки), розробленому за участі McKinsey, представлене комплексне бачення потенціалу водню та дорожню карту для масштабування його ролі в майбутніх енергосистемах. 

Експерти переконані, що водень відіграє величезну роль у декарбонізації промисловості, транспорту і стане надійним сховищем для зберігання "зеленої" енергії.

У Hydrogen Council переконані, що водень може становити 18% від загальної кінцевої енергії, що буде споживатися до 2050 року і це дозволило б скоротити щорічні викиди CO2 приблизно на 6 ГВт. 

Крім цього, глобальний ринок водню оцінюється у 2,5 трлн доларів США, а для 30 млн людей були б створені робочі місця. 

Десятки країн уже розробили свої водневі стратегії, а компанії-лідери на світовому енергетичному ринку враховують водень у своїх планах розвитку. 

Плани урядів у цьому напрямку дуже масштабні. Зокрема, у червні 2019 року в США законодавчо були ухвалені податкові стимули для зберігання енергії та закон про розгортання. Відповідно до закону всі технології зберігання енергії, включно зі зберіганням водню, мають право на податкові пільги.

Влітку 2022 року Міністерство енергетики США видало кредитну гарантію на суму $504,4 млн для фінансування проєкту "Advanced Clean Energy Storage" - сховища чистого водню та енергії, здатного забезпечувати довгострокове сезонне зберігання енергії. 

Після реалізації проєкту можна буде перетворювати 220 МВт відновлюваної енергії у 100 метричних тонн зеленого водню на день, а зберігатися він буде у двох соляних печерах. Цей водень буде використовуватися для роботи турбін електростанції потужністю 840 МВт.

Своєю чергою Європейська комісія запропонувала повноцінну законодавчу базу для виробництва, споживання, розвитку інфраструктури та ринкових правил для майбутнього ринку водню. 

У грудні 2022 року було досягнуто політичної домовленості щодо перегляду Директиви EU ETS, встановлюючи безкоштовні квоти для електролізерів, що виробляють водень. Рік тому, 14 вересня, президент Єврокомісії Урсула фон дер Ляєн оголосила про створення Європейського банку водню. 

Мета – залучення інвестицій, аби пов’язати майбутню пропозицію відновлюваного водню з цільовим попитом у 20 млн тонн відновлюваного водню. У Єврокомісії переконані, що Банк водню сприятиме як виробництву відновлюваного водню в ЄС, так і його імпорту, і в такий спосіб наблизить цілі RepowerEU та кліматичної нейтральності. 

До речі, 30 січня було опубліковано умови першого аукціону для водневого банку і оголошено дату пілотного заходу. Торги відбудуться 23 листопада, тоді водневий банк має забезпечити фінансування проєктів на загальну суму €800 млн.

Отже, стимулів багато. Європа оголосила про свої амбіції та, судячи з усього, прагне захопити лідерство в цьому напрямку.

Без сумніву, водень відіграватиме важливу роль у майбутній галузі зберігання електроенергії. 

Енергосховища на базі стиснутого повітря

Принцип роботи таких сховищ (compressed air energy storage — CAES) схожий з роботою ГАЕС, але замість води задіяно повітря. У години низького попиту стиснене повітря закачується в резервуар, а в години навантажень випускається з нього і приводить в роботу турбіну, яка виробляє електроенергію. 

Зазвичай резервуаром для стисненого повітря служать шахти або печери, створені усередині соляних порід (каверни). Ґрунт навколо них має бути максимально щільним та герметичним, аби запобігти втраті енергії через витік.

Перший у світі об’єкт CAES з’явився у м. Хунторф, Німеччина, у 1978 році. Це енергосховище потужністю 290 МВт функціонує і зараз, в основному, задля вирівнювання змінної потужності генераторів вітрових турбін. 

Цікаво, що енергосховище на базі стиснутого повітря намагалися збудувати на Донбасі ще за радянських часів, але розвал союзу не дозволив цим планам здійснитися.

Наразі зростанню ринку CAES заважає висока вартість устаткування для зберігання енергії стисненого повітря. Також їхнє застосування обмежує достатньо висока швидкість саморозряду і висока вартість встановлення підземних проміжних охолоджувачів для розсіювання тепла. 

Ще одним обмеженням є географічний фактор, адже не на всіх територіях існують соляні печери – найбільш надійні підземні сховища для стисненого повітря у великих масштабах. За даними вчених, такий потенціал мають Південна Африка, Канада, США.

Втім, проекти CAES все ж реалізуються: в Каліфорнії (США) до 2026 року збудують два енергосховища потужністю 1600 МВт, а в Ізраїлі зводять 166 МВт-год накопичувальних потужностей для п’яти сонячних ферм.

Термальні накопичувачі енергії

TES (thermal energy storage) – одна з інноваційних технологій зберігання електроенергії, яка набуває популярності. Технологія заснована на фокусуванні сонячної енергії з великої площі на приймач за допомогою концентраторів, таких як дзеркала або лінзи. 

Світло перетворюється на тепло, яке накопичується, а в години пікових навантажень приводить в дію генератори пари, і виробляється електроенергія. 

Приймач – це фактично сховище. Воно може бути наповнене різними матеріалами – від води до каміння і навіть вулканічних порід, які дуже добре накопичують тепло. 

Зупинюся на розплавній солі (molten salt). У сховищах таких солей теплова енергія зберігається шляхом нагрівання та охолодження безводного розплаву рідкої солі, а самі сховища зазвичай складаються з двох резервуарів: один з них з високою температурою, а інший з низькою" і одного, або кількох теплообмінників. 

Під час поглинання тепла, сіль переміщується з холодного резервуара, нагрівається за допомогою теплообмінника або електроенергії і подається в гарячий резервуар. Під час відбору тепла сіль переміщується з гарячого бака, охолоджується за допомогою теплообмінника і подається в холодний резервуар. Утворюється перегріта пара, яка потім подається в турбіну для вироблення електроенергії. Залежно від виду солі робочі температури можуть коливатися в межах 170-560 °C. 

Така технологія може бути використана як для виробництва електроенергії, так і для опалення, або навіть охолодження. 

Концентрована сонячна енергія (concentrated solar power- CSP) є перспективною технологією. Міжнародне енергетичне агентство прогнозує, що до 2050 року 11% електроенергії буде вироблятися з CSP.

За даними Precedence Research, у 2021 році розмір світового ринку накопичувачів теплової енергії оцінювався в $23,7 млрд, а до 2030 року очікується, що він сягне приблизно $53,4 млрд із щорічним зростанням на 9,45%. Згідно з тим же дослідженням, встановлена ​​потужність CSP у Європі до 4 ГВт до 2030 року. Експерти звертають увагу на зусилля європейських країн щодо досягнення цільових показників скорочення викидів вуглецю, зростання виробництва "зеленої" енергії, і це, на їх думку, сприятиме розвитку CSP із системами зберігання.

Критичні мінерали – рушійна сила чистої енергії

Світ на шляху до стійкого чистого енергетичного майбутнього. Тому важливість критичних мінералів, як матеріалів для виробництва систем зберігання енергії, як і потужностей ВДЕ, лише зростатиме. 

Літій, кобальт, графіт, марганець… Ці та інші критичні мінерали стануть рушійною силою глобального переходу до чистої енергії, і їх значення в енергетичній революції дуже важко переоцінити. 

Світовий попит на критичні мінерали продовжує зростати, і забезпечення надійних поставок стало глобальним пріоритетом для багатьох країн. Вони визнають їх значення для стимулювання енергопереходу, економічного зростання та технологічного прогресу. 

Тому глобальні тренди в цьому секторі такі:

1. Впровадження окремих політик щодо критичних мінералів;
2. Диверсифікація ланцюгів постачань;
3. Стійкі практики та нові технології видобутку;
4. Переробка та циркулярна економіка.

Критичні мінерали сьогодні – це можливості для інновацій завтра, стійке, безпечне та чисте майбутнє завтра. 

Україна

15 лютого 2022 року Верховна Рада ухвалила законопроєкт "Про внесення змін до деяких законів України щодо розвитку систем накопичення енергії". Він став базовим для подальшого руху та створив законодавче підґрунтя для розвитку технологій "energy storage facilities" в нашій країні. 

Зокрема, він впроваджує нові терміни, такі як система накопичення енергії, оператор системи накопичення енергії та повністю інтегровані елементи мережі. Крім цього, він передбачає появу операторів установок накопичення енергії. Це абсолютно новий для України учасник ринку електроенергії, в законі чітко прописані його права та обов’язки, а його діяльність підлягає ліцензуванню.

Повномасштабне вторгнення створило нові виклики і загальмувало процес розвитку систем накопичення, хоча сьогодні вони вкрай актуальні. Щоправда перші "ластівки" все ж з’явилися. 

У червні 2023-го НКРЕКП видала вінницькій компанії першу ліцензію на право провадження господарської діяльності зі зберігання енергії. Установка для зберігання енергії потужністю 1 МВт розроблена та виготовлена в Україні, а її роль – балансування напруги в мережі. 

І хоча на тлі передових систем, які вже працюють у світі, така потужність є невеликою, проте головне, що ми зробили перший, можливо найбільш важкий крок на шляху впровадження нових систем зберігання електроенергії. 

Оптимізму додають інші проєкти. Зокрема, плани ПрАТ "Укргідроенерго" вже наступного року розпочати реалізацію проєкту з будівництва "energy storage" і сонячних електростанцій на українських ГЕС. До кінця поточного року має бути завершена розробка техніко-економічного обґрунтування та проєктне рішення. 

Проєкт передбачає встановлення систем накопичення електроенергії обсягом 212 МВт та сонячних станцій потужністю 63,9 МВт як додаткового джерела забезпечення потреб ГЕС і для заряджання систем накопичення.

Уже сьогодні системи накопичення є невід'ємним елементом стратегії розвитку "зеленої" енергетики. Очевидно, що вони є тим чинником, від якого залежить успішність енергетичного переходу, і їх роль у майбутніх енергосистемах лише зростатиме.