Батареи в энергетике: как накопители меняют правила игры

Батареи (элементы или системы химического накопления энергии), их цены, объемы производства и продолжительность работы являются предметом очень большого информационного поля. Развитие этого тренда учитывают промышленный бизнес и экономисты, мировая геополитика начинает вращаться вокруг сырья для их производства. Инвестиции в заводы по производству батарей согласовывают на высших государственных уровнях.

Вопрос - почему такая заинтересованность. Ответ заключается в том, что сейчас в каждом втором промышленном изделии есть микрочип, и подавляющее большинство из них требует батареи. Количество объектов где используются батареи или батарейки на планете исчисляется миллиардами.

Энергетика - это одна из отраслей, которую развитие технологий систем химического накопления приводит к глобальным структурным изменениям. Это обусловлено тем, что на каждом из этапов производства, транспортировки и потребления электроэнергии системы накопления энергии начинают играть особую роль и без них развитие и даже просто стабильная работа уже невозможны.

Роль в современной энергетике

Еще недавно надежная работа энергосистем обеспечивалась почти исключительно крупными электростанциями и линиями электропередач. Но с появлением систем накопления энергии (Battery Energy Storage Systems, BESS) правила игры меняются.

Промышленные батареи все больше берут на себя важные функции, повышая надежность и гибкость энергоснабжения потребителей.

Роль в генерации

Большая потребность батарей в генерации обусловлена в первую очередь очень быстрым развитием солнечных электростанций, которые относятся к электростанциям негарантированной мощности. Возможности СЭС целиком зависят от метеорологических условий и имеют место колебания выдачи мощности как на коротких периодах, так и на более длинных или сезонных. Зимой производство электроэнергии СЭС примерно в 5 раз меньше чем в пиковые летние месяцы.

В то же время рынок электроэнергии и энергосистема нуждаются в стабильной управляемой работе электростанции в коммерческом и технологическом графиках. Таким образом нестабильность СЭС надо компенсировать дополнительным буфером.

На первых этапах развития СЭС, когда их доля составляла 5-7%, компенсатором выступала сама энергосистема, которая поглощала эти колебания без заметных последствий. Но развитие СЭС происходит с одновременным вытеснением и закрытием традиционных угольных электростанций, которые как раз своими маневровыми свойствами и поглощали возмущения от СЭС.

Таким образом, система накопления становится обязательным атрибутом новой СЭС, в противном случае СЭС при доле после 25% становится для энергосистемы существенным источником помех и часто отключается или ограничивается определенным образом в работе.

Сочетание в едином процессе устойчивого производства электроэнергии СЭС и BESS создает так называемый гибрид, когда совместная система управления в режиме реального времени оценивает возможности и ресурса каждого из этих элементов и решает задачу выдачи мощности в сеть с обеспечением одновременно стабильности и максимальной эффективности производства. Но роль гибрида СЭС и батареи становится очень важной и будет рассмотрена далее подробнее.

Роль в электрических сетях

Физически большое количество батарейных накопителей присоединено непосредственно к распределительным или высоковольтным сетям, но лишь небольшая их доля работает именно на нужды транспортировки электрической энергии. Европейским и нашим законодательством установлено, что оператор сети может устанавливать собственные системы накопления батареи только для обеспечения работы сети.

Это может быть компенсация транспортных потерь или компенсация избыточной реактивной энергии, или просто поддержание напряжения в определенных узлах сети. Эти проблемы остро встают для удаленных линий или при недозагруженности линий, когда затраты на транспортировку электроэнергии при транспортировке в определенный район становятся сопоставимыми с объемом транспортируемой электроэнергии. Установка батарей в определенных точках улучшают режимы сети и уменьшают потери.

Отдельно стоит вопрос предоставления вспомогательных услуг в энергосистеме Украины, который также относится к ответственности оператора системы передачи. Эти услуги оператор закупает у владельцев систем накопления, которые по командам диспетчеров принимают или отдают мощность для удержания баланса в энергосистеме Украины в целом. Интервалы приема - выдачи мощности бывают от 15 минут до нескольких часов, но требуется большое быстродействие в изменении мощности, буквально десятки МВт за несколько секунд.

Физическая суть этих вспомогательных услуг - поддерживать частоту тока (50 Гц в Украине) без отклонений. Внезапный небольшой дисбаланс между производством и потреблением электроэнергии может вызвать перепады частоты, которые после определенного предела угрожают авариями и требуют отключений.

BESS реагируют на такие колебания почти мгновенно - за считанные секунды они могут отдать или поглотить энергию, восстанавливая баланс. В отличие от традиционных турбин, которым нужны минуты, батареи быстро выравнивают частоту, предотвращая аварийные отключения и повреждение оборудования.

При больших небалансах надо уже просто наблюдением за частотой не обойтись и надо быстро вводить большие объемы мощности, в противном случае происходит мгновенное разделение энергосистемы на изолированные районы с погасанием части из них. Например, в Южной Австралии большой аккумуляторный комплекс Hornsdale (100 МВт) дважды мгновенно подстраховал сеть, когда внезапно отключалась угольная электростанция. Это помогло избежать блэкаутов и повысило стабильность сети.

Роль у потребителя

Но наибольшее влияние на энергосистему создает установка СЭС и систем накопления у потребителя. Сейчас модным трендом является такое проектирование энергетики потребителя, чтобы он имел нулевое или минимальное питание от энергосистемы.

С точки зрения инвестиций такое решение полной автономии всегда дороже чем варианты с покупкой, оптимум есть в частичной самогенерации и частичной покупке. Это задачи служб энергоменеджмента предприятия, а для бытовых потребителей очень активно развивается услуга по развертыванию HEMS (Home energy management system) - системы устанавливаемой в доме и сочетающей в себе плановую генерацию с фотопанелей, аварийную генерацию от генератора, бытовой накопитель, бытовые электроприборы, в перспективе - электромобиль.

Но такое автономное поведение потребителя приводит к дополнительной нестабильности в энергосистеме, поскольку возникает разрыв между реальным потреблением конечного потребителя и поставкой электроэнергии из энергосистемы "на счетчике". Это проявляется в размывании типового графика бытового потребителя, на котором построено планирование суточной работы энергосистемы страны. Это в свою очередь приводит к увеличению потребностей резервирования в системах накопления, поддерживающих баланс в энергосистеме и соответственно - стоимости электроэнергии для конечного потребления.

Установка батарей на уровне конечного потребителя уже сегодня помогает обеспечивать электричеством важные объекты во время блэкаутов в Украине. Батареи могут держать освещение больниц, связь и интернет даже когда центральная сеть испытывает аварии.

Яркий пример - благотворительный проект Direct Relief, который в 2023-2024 годах устанавливает более 2000 аккумуляторных систем для украинских больниц. Эти батареи обеспечивают непрерывную работу медицинского оборудования во время атак на энергосеть или в экстремальных метеоусловиях, когда прерывается снабжение из внешней сети.

Вывод

Накопители энергии уже доказали свою эффективность в мире, а теперь и Украина делает на них ставку, чтобы модернизировать и обезопасить свою энергетику. Батареи улучшают качество электроснабжения, дают гибкость для интеграции ВИЭ, служат страховкой от блэкаутов.

Глобальные тенденции - на стороне этой технологии: цены падают, рынок растет экспоненциально, открываются новые возможности. Для нашей страны батарейные системы могут стать одним из символов концепции build back better - отстроить энергетику более современной, децентрализованной и чистой.

Конечно, препятствий немало - от финансов до продолжающейся войны. Но уже сделаны первые шаги: закон принят, проекты начаты, инвесторы заинтересованы, потребители почувствовали ценность резервного питания.

Если государство и бизнес совместно преодолеют вызовы, через десятилетие Украина может получить новую энергосистему, где сотни промышленных батарей будут незаметно работать день и ночь. Сеть станет стабильнее, возобновляемая энергетика - мощнее, а потребители забудут о перепадах напряжения и аварийных отключениях.

Батареи в энергетике - уже не фантастика, а рабочий инструмент, и наша задача - использовать его на полную для светлого энергетического будущего страны.