Час за часом

Эволюция промышленных накопителей энергии
24.10.2020
Имре Гьюк

Вот уже около двадцати лет я руковожу исследовательским направлением по накопителям энергии в Министерстве энергетики США. Это достаточно большой срок, чтобы увидеть на практике эволюцию систем накопления. Мне посчастливилось наблюдать, как это направление начиналось, развивалось и превратилось в одну из наиболее «горячих» тем в энергетическом бизнесе.

Доходы и расходы

По мере того, как появляются новые технологии, должны возникать и бизнес-кейсы по их успешному внедрению, в которых важно найти правильный баланс между затратами и создаваемой прибавочной стоимостью. Для систем хранения затраты распределяются примерно так. Сам накопитель образует от 25 до 50% стоимости, при этом значительная часть инвестиций идёт на другие вещи, например на силовую электронику (20-25%) и на строительство. Накопитель всегда располагается на каком-то земельном участке, приобретённом или арендованном, и для него зачастую нужно соорудить определённые здания и системы (воздушного кондиционирования, автоматического пожаротушения и другие). Необходимо также потратиться на инспекцию пожарной охраны, технического надзора, услуги юристов и конечно же заплатить проценты по кредиту.

Прибавочная стоимость в проектах по внедрению накопителей имеет две основные составляющие. Первая включает явно определяемые источники дохода, такие как возможность играть на колебаниях цен и оказывать услуги системному оператору. Вторая составляющая не монетизирована и выражается, в частности, в повышении надёжности энергоснабжения.

Бизнес-акселератор

В Минэнерго США мы занимаемся организацией и проверкой таких бизнес-кейсов, которые помогают увеличить надёжность энергосети, расширить возможности её стабилизации и в целом обеспечить устойчивое развитие электроэнергетики.

Приведу несколько примеров, чтобы проиллюстрировать историю развития систем накопления энергии в США. Самый первый бизнес-кейс, который доказал коммерческую состоятельность накопителей энергии, был нацелен на регулирование частоты. В этом случае достаточно накопителя, способного выдавать энергию на протяжении четверти часа. Прототипы такого накопителя на основе маховиков производства Beacon Power мы построили в 2010 году совместно с компанией NYSERDA и Калифорнийской энергетической комиссией. Одновременно проводили два эксперимента (в штатах Калифорния и Нью-Йорк) с помощью 100-киловаттных установок. Эксперименты показали, что всё работает. Более того, выяснилось, что накопители обеспечивают вдвое более эффективное регулирование, чем электростанции на ископаемом топливе.

На основе опробованной технологии в штате Нью-Йорк была построена установка уже на 20 МВт, которая была введена в эксплуатацию в июле 2011 года. Этот проект позволил Федеральной комиссии по регулированию энергетики установить принцип оплаты по результату, а не по мощности накопителя. Чтобы технология стала коммерчески состоятельной, потребовалось доработать законодательную базу.

Прошло несколько лет. В городе Стёрлинге (шт. Массачусетс) вместе с муниципалитетом мы в 2016-м смонтировали микросеть с ионолитиевой системой накопления энергии производства компании NEC. Строили её очень быстро: от запуска проекта до момента разрезания ленточки в октябре 2016 года прошло всего три месяца. Накопитель мощностью 2 МВт, способный выдавать энергию в течение двух часов, работает в Стёрлинге вместе с фотоэлектрической солнечной электростанцией мощностью 3 МВт.

Достоинства решения стали очевидны с первых же дней. В течение года накопитель позволил оператору солнечной электростанции заработать на арбитраже между стоимостью электроэнергии в разные часы 11 731 долл., на покрытии месячных пиков потребления - 143 447, а годовых пиков - 240 660 долл. В сумме получается без малого четыреста тысяч. Капитальные затраты по проекту составили 2,7 млн долларов, причём уже через два с половиной года эксплуатации накопитель вернул инвестору миллион.

Следующий кейс - накопитель мощностью 6 МВт на восемь часов работы на острове Нантакет в штате Массачусетс. Установка была официально запущена в работу 8 октября 2019 года. Следует отметить, что к острову с побережья проложены два подводных кабеля с суммарной пропускной способностью 71 МВт. В летний туристический сезон, когда население острова увеличивается в пять раз, потребность в мощности может достигать 91 МВт, то есть пропускной способности имеющихся кабелей категорически не хватало, а прокладывать третий кабель было очень накладно (при том, что он долгое время будет загружен лишь на небольшую часть своей пропускной способности).

Учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории проанализировали ситуацию и предложили вместо прокладки третьего кабеля построить накопитель энергии мощностью 6 МВт на 48 МВт·ч, дополнив его 15-мегаваттным дизельным генератором. Гибридная система позволила отложить затраты на прокладку кабеля в размере 110 млн долларов и ежегодно приносит доход в 36 миллионов. Получен великолепный коэффициент возврата инвестиций - 1,55.

Шаговый двигатель прогресса

Каждый следующий шаг, увеличивающий время выдачи мощности, требует нового бизнес-кейса, в основе которого лежат законодательные акты, специально для данного шага созданные. На оборудование следует получить разрешение, а его эффективность должна быть измерена новым способом, прописанным в документах.

Сегодня лидер по внедрению накопителей энергии - компания Southern California Edison. Объёмы запасаемой энергии у неё исчисляются сотнями мегаватт-часов. В большинстве случаев ионолитиевые накопители дополняют фотоэлектрические солнечные станции, обеспечивая длительность выдачи мощности в 4 часа, чего достаточно для покрытия вечернего пика потребления, когда солнце уже заходит. К августу 2021 года в Калифорнии должны быть введены в строй шесть крупных установок суммарной мощностью 655 МВт и общей ёмкостью 2,62 гигаватт-часа.

Для полноценной работы с фотоэлектрическими электростанциями необходимо, конечно, выдавать энергию больше четырёх часов. Четырёхчасовые накопители хороши для компенсации кратковременных перерывов в генерации из-за облачной погоды, но фундаментальную проблему, состоящую в том, что солнце ночью не светит, они не решают.

Действенная технология

На мой взгляд ионолитиевые элементы будут широко применяться в накопителях на четыре-восемь часов, максимум на десять, как в Австралии. Однако мы не полностью удовлетворены возможностями современной ионолитиевой технологии. У неё остаются проблемы с поставкой элементов, экологичной утилизацией и повторным использованием материалов, есть вопросы и этического характера (в Африке при добыче кобальта используется детский труд). Остаются сложности, связанные с надёжностью и безопасностью. Случай с возгоранием накопителя в Аризоне в апреле 2019 года наглядно это показал. В отличие от аккумуляторов других видов ионолитиевые трудно поддаются переработке, поскольку их электролит воспламеняется на воздухе.

* * *

Сегодня на рынке энергетического оборудования мы наблюдаем победное шествие накопителей. При этом отмечу, что уже тридцать штатов США требуют от энергокомпаний строительства объектов возобновляемой генерации, а семь из них установили конкретные целевые показатели в этой сфере. Так что системы промышленного хранения энергии фактически узаконены. Осмелюсь предсказать, что в ближайшие пять лет или около того в новых проектах будет доминировать ионолитиевая технология.

Если в целом по стране существенный объём первичной энергии будет обеспечиваться ветровыми и солнечными станциями, нам потребуется их длительное резервирование. Речь пойдёт о восьми, двенадцати часах, о сутках, а возможно, даже о сезонах. Министерство энергетики и агентство ARPA-E сегодня изучают разные технологии, которые для этого годятся, в том числе проточные батареи.

Понятно, что для долговременной выдачи энергии мы должны резко снизить удельную стоимость накопителей. Ионолитиевая технология продолжает дешеветь, и цена аккумуляторных блоков (без учёта инверторов и инфраструктуры) ожидается на уровне ста долларов за киловатт-час. Конечно, в составе энергоустановки они обойдутся дороже. Удельная стоимость ванадиевых проточных батарей уже снизилась до трёхсот долларов за киловатт-час, а будущие проточные батареи с органическим электролитом на водной основе обещают потенциал снижения до 125 долларов. Цинк-марганцевые элементы как один из кандидатов на применение могут упасть в цене до 50 долларов за киловатт-час. При этом на технологическом горизонте просматриваются усовершенствованные ионолитиевые элементы, в частности от компании Innolith.

Об авторе: Имре Гьюк - директор по исследованиям систем накопления энергии в Министерстве энергетики США

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы