1.1. Основные понятия и определения
Возобновляемые источники энергии – это источники на основе постоянно действующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Отличительным признаком возобновляемой энергии является то, что присутствует в окружающей среде в виде энергии, не являющейся следствием целенаправленной деятельности человека.
Невозобновляемые источники энергии – это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников, в отличие от возобновляемых, находится в природе в связанно состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека [2].
В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН (1978 г) к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков [3]. Классификация НВИЭ представлена в таблице в Приложении 1.
Тепловое аккумулирование – это физические или химические процессы, посредством которых происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии (ТАЭ).
1.2. Актуальность задачи аккумуляции энергии.
Неравномерность потребления электроэнергии в течение суток – одна из основных проблем электроэнергетики (Рис. 1). Электроэнергия используется в тот же момент, когда она вырабатывается, в силу чего возникает необходимость то включать, то выключать генерирующие мощности. Такой режим заметно увеличивает как скорость износа генерирующего оборудования, так и расход топлива (каждый пуск энергоблока требует дополнительных затрат топлива). Помимо этого не всегда существует технологическая возможность быстрого пуска‐остановки генерирующего объекта.
Рис. №№. Типовая динамика потребления мощности (качественная)
Вышеперечисленные проблемы приводят к установлению существенно большей стоимости электроэнергии в часы пиковой нагрузки в энергосистеме и в конечном итоге – к более высокой среднесуточной цене на электроэнергию для конечного потребителя. Так, стоимость электроэнергии в пиковые часы в различных странах мира может превышать стоимость электроэнергии в часы базовой нагрузки более чем в 7 раз.
Возможность разнести во времени производство и потребление электроэнергии путем ее накопления в больших масштабах – один из наиболее эффективных путей решения проблемы покрытия пиков потребления.
Наиболее распространенными системами накопления электроэнергии на текущий момент являются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Их действие основано на цикличном перемещении одного и того же объема воды между двумя бассейнами (бьефами), разнесенными по высоте. Для аккумулирования энергии вода закачивается в верхний бьеф. Для выдачи
энергии вода сливается в нижний бьеф через гидротурбину с генератором (Рис. 2). Однако возможности по применению ГАЭС ограничены географическими аспектами: необходимы бассейны большой емкости, разнесенные по высоте на 50‐100 метров.
Рис. №№. Пример использования накопителя энергии для покрытия дневных пиков потребления
В последние годы для целей накопления больших объемов энергии стали применяться новые технологии: электрохимические аккумуляторы, инерционные аккумуляторы (маховики), тепловые аккумуляторы, аккумуляторы, основанные на принципе сжатия воздуха и другие. Хотя доля новых технологий в общей установленной мощности накопительных систем в мире пока невелика (около 1,5% от общей установленной мощности), стоит ожидать роста рынка «новых накопителей» с улучшением и удешевлением технологий. Уже сейчас можно выделить ряд тенденций, которые, вероятно, повлияют на развитие применения накопителей энергии:
1. Тенденции по увеличению эффективности использования энергоресурсов и развитию интеллектуальных сетей (Smart Grids). Применение накопителей позволяет экономить как первичные энергоресурсы, сглаживая профиль загрузки генерирующих мощностей, так и ресурс электросетевого оборудования, снижая пиковую нагрузку на подстанции.
2. Развитие ВИЭ (солнечных и ветровых электростанций). В случае большой доли ВИЭ в энергосистеме (более 10%), различия суточных графиков выработки электроэнергии источниками, использующими ВИЭ, и ее потребления потребуют дополнительного согласования, которое может быть реализовано за счет систем накопления энергии.
3. Ужесточение экологических норм (требований) при строительстве зданий относительно аварийных источников электроэнергии (не всегда есть возможность использовать дизельные генераторы).
Применение систем накопления электроэнергии привлекательно с экологической точки зрения. Так, использование накопителей для сглаживания пиковых нагрузок уменьшает суммарные выбросы вредных веществ в атмосферу за счет снижения расхода топлива, а использование накопителей в качестве аварийных источников питания позволяет отказаться от дизельных генераторов (уменьшить шум и сократить выбросы в атмосферу продуктов сгорания).
В настоящий момент установленная мощность накопителей энергии в мире составляет около 122 ГВт, из них на ГАЭС приходится почти 99%.
Согласно данным экспертов, по итогам 2010 года объем рынка накопителей электроэнергии, подключенных к электросети, составит около $1,5 млрд.
Ожидается, что в ближайшие 10 лет рынок будет расти со среднегодовыми темпами около 37% и достигнет $35 млрд. к 2020 году.
На рост рынка окажут существенное влияние расширение использования новых технологий, раскрывающих преимущества накопителей (smart grids и ВИЭ), и рост цен на топливо. Однако пока основным двигателем рынка накопителей является государственная поддержка. Например, в штате Калифорния (США) в 2010 году было законодательно закреплено обязательство для генерирующих компаний покрывать долю пиковой нагрузки за счет мощности накопителей энергии, к 2014 году указанная доля должна составить 2,25%, к 2020 году – 5% (California Assembly Bill No. 2514).
Доля России в общей установленной мощности накопителей составляет около 1% (Загорская ГАЭС). Но уже сейчас ряд участников электроэнергетической отрасли России проявляет интерес к теме накопления энергии. Так, ОАО «ФСК ЕЭС» заключило меморандум с американским производителем накопителей энергии Ener1 Inc., на основании которого компании изучат возможность применения систем накопления энергии в электросетевом комплексе ОАО «ФСК ЕЭС».
В ОАО «РусГидро» проект по изучению возможностей применения накопителей энергии включен в перечень приоритетных инновационных проектов компании.
На текущий момент наиболее экономически оправданными направлениями применения систем накопления энергии в России являются:
1) накопление электроэнергии в технологически изолированных энергосистемах, в том числе совмещенное с использованием ВИЭ, с целью снижения потребления топлива;
2) использование передвижных систем накопления электроэнергии для сетевых компаний, позволяющее отсрочить инвестиции в сетевые активы на определенный период;
3) использование накопителей энергии в качестве резервных источников электроэнергии для объектов, предъявляющих повышенные требования к надежности поставки электроэнергии.
К основным факторам, сдерживающим развитие накопительных систем в России, относятся:
1. Стоимость накопителей (до $6 тыс. за 1 кВт установленной мощности).
Использование накопителей обеспечивает экономию первичных энергоресурсов.
Газ, уголь, прочие виды топлива и сама электроэнергия в России пока достаточно дешевые, поэтому при текущих ценах на накопители энергии их применение не всегда экономически оправдано.
2. Нормативно-правовая неопределенность использования накопителей энергии в энергосистеме. Взаимоотношения на оптовом рынке электроэнергии и мощности (ОРЭМ) выстраиваются относительно мощности генерирующих объектов, накопители таковыми не являются. Поэтому, по всей видимости, при текущем законодательстве поставщик ОРЭМ, использующий накопитель энергии, должен иметь генерирующую мощность, замещающую его (накопитель).
Таким образом, для масштабного развития применения накопителей энергии в энергетике России, помимо удешевления самих накопителей, необходимо внесение корректировок в действующие нормативно‐правовые акты. [Источник: http://www.branan.ru]