An overview of efficient systems for accumulating produced electricity is presented, which eliminate the disadvantage of renewable energy sources, consisting in the variability of the power they produce, due to the natural characteristics of such sources. Forecasts for the use of energy storage systems in the world are substantiated
review, energy storage systems, renewable energy sources, forecast
Современным и перспективным напра-влением развития электроэнергетики являются возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Одним из недостатков генерации электроэнергии с помощью ВИЭ является непостоянство выдаваемой мощности, что обусловлено природными особенностями таких источников [1-3].
Преодоление этой проблемы может быть решено применением эффективных систем накопления энергии (СНЭ).
Системы накопления энергии могут быть применены для решения широкого спектра задач. СНЭ могут применяться как источники бесперебойного питания [4], они могут накапливать, хранить длительное время и отдавать в сеть в нужный момент избыточную электроэнергию. Эта способность СНЭ используется для поддержки работы электростанций на ВИЭ.
Также с помощью СНЭ можно практически безынерционно управлять балансом активной мощности по любому заданному алгоритму в соответствии с решаемой задачей.
Таким образом, широкое внедрение СНЭ в электроэнергетику при достижении ими мощности и емкости, востребованной в Единой энергетической системе (ЕЭС) России, помогут решать многие задачи регулирования и управления, в том числе противоаварийного.
ГАЭС представляет собой электростанцию, имеющую два водоема, расположенных на разных высотах (верхний и нижний бьефы), соединенных между собой водоводом, через который осуществляется переток воды из одного водоема в другой. ГАЭС оборудована комплексом генераторов и насосов, осуществляющих перекачку воды между водоемами. Также на ГАЭС могут использоваться обратимые гидроэлектроагрегаты, которые могут работать и как генераторы, и как насосы.
В ночное время, когда наступает «провал» графика потребления электроэнергии, ГАЭС использует избыток генерируемой мощности для перекачки воды из нижнего бьефа в верхний. В дневное время станция использует запасенную в верхнем бьефе воду для приведения в работу своих гидроагрегатов. Это позволяет покрывать пиковые нагрузки в энергосистеме [5].
КПД современных ГАЭС составляет 70-75% [6]. Зачастую ГАЭС строятся рядом с ТЭС и АЭС – на последних регулирование режима выдаваемой мощности в течение суток затруднено в связи с особенностями технологического процесса, а использование ГАЭС решает эту сложность.
Общее количество ГАЭС в мире на данный момент приближается к 500, их суммарная мощность составляет порядка 300 ГВт [7].
В энергетике широко применяются химические методы аккумулирования электроэнергии.
Литий-ионный аккумулятор состоит из нескольких составляющих.
Анод – изготавливается из графита. В заряженном состоянии между углеродными слоями графита находятся ионы лития. При разряде аккумулятора ионы лития переходят от анода к катоду.
Катод – изготавливается из оксида металла (например, кобальта). По мере разрядки батареи ионы лития перемещаются от анода к катоду, создавая электрический ток.
Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой свинцовые электроды, погруженные в раствор серной кислоты.
При зарядке аккумулятора на катоде восстанавливается диоксид свинца, на аноде происходит окисление свинца.
При подключении нагрузки оксид свинца вступает в реакцию с серной кислотой, свинец окисляется и возникает электрический ток.
Принцип работы твердотельной аккумулирующей электростанции (ТАЭС) основан на использовании электроэнергии для поднятия грузов на высоту (несколько сотен метров) и ее выработке при опускании грузов силой тяжести [8]. КПД такой установки составляет не менее 80%, срок службы – 50 лет. Нормированная стоимость хранения энергии для ТАЭС на 16% ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов и на 72% ниже, чем у ГАЭС.
В марте 2024 года первый в мире коммерческий гравитационный аккумулятор подключен к энергосистеме Китая. Его мощность составила 25 МВт. Для запасания энергии блоки из прессованной земли массой 24 т поднимаются на высоту около 100 м. Таким образом, установка может отдавать 100 МВт·ч в сеть в течение 4 часов. Данный гравитационный аккумулятор будет запасать электроэнергию находящейся рядом ветроэлектростанции. На основании опыта эксплуатации данной установки будет приниматься решение о расширении практики использования этой технологии в будущем на территории Китая [9].
Пневматический аккумулятор использует избыточную мощность для закачивания воздуха под давлением в полости в горных породах. Во время пиковых нагрузок энергия сжатого воздуха используется для генерации недостающей электроэнергии.
Средние значения характеристик систем накопления энергии на основе криогенных технологий сжатия воздуха (LAES): мощность 50 МВт, емкость 300 МВт·ч [10]. LAES используют электроэнергию для работы установок, сжижающих воздух. Сжиженный воздух хранится в специальных емкостях при низком давлении. Из этих емкостей воздух перекачивают к установке, где он при повышенных температуре и давлении становится газообразным. После этого воздух проходит через турбину, подключенную к электрическому генератору.
Принцип действия сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИНЭ) основан на следующем явлении: при охлаждении проводника с током ниже определенной (критической) температуры, он теряет свое электрическое сопротивление. Вследствие этого исчезают потери электроэнергии. Устройство со сверхпроводящим соленоидом теоретически может позволить сохранять энергию длительное время в виде энергии магнитного поля. Заряд такого устройства требует конвертации переменного тока в постоянный, а отдача заряда потребителю требует обратного преобразования [11].
Ионистор – это электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, обкладками в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода или электролита. Обладают значительной емкостью [12].
Ионисторы имеют ряд преимуществ:
- удельная энергия симметричных ионисторов меньше, чем у аккумуляторов (5-12 Вт·ч/кг при 200 Вт·ч/кг для литий-ионных аккумуляторов);
- напряжение зависит от степени заряженности;
- низкое рабочее напряжение по сравнению с другими типами конденсаторов (несколько вольт);
- малая деградация по мере нарастания числа циклов заряда-разряда (после 100 000 циклов ухудшения характеристик не наблюдалось).
Характеристики суперконденсаторов позволяют применять их в энергосистеме для ряда задач. В частности, ионисторы могут быть применены как источник бесперебойного питания в случае кратковременных аварийных событий в энергосистеме. На станциях с ВИЭ, в частности, на ветровых электростанциях, ионисторы могут использоваться для стабилизации генерируемого напряжения [13]. Также на станциях с ВИЭ ионисторы могут быть использованы вместе с аккумуляторами для защиты последних от высоких токов, что позволяет продлить срок службы СНЭ.
В таблице 1 приведена сравнительная характеристика рассмотренных выше способов и систем накопления энергии.
Из таблицы 1 видно, что наиболее длительный срок службы характерен гидроаккумулирующим электростанциям. Однако, по экономическим показателям они уступают остальным системам аккумулирования. Кроме того, их применение усложняется необходимостью размещать ГАЭС в местности с подходящим рельефом и с наличием водоемов. Экономическую эффективность характеризует величина CAPEX (от англ. Capital Expenditure) – это капитальные затраты, показатель инвестиционной деятельности предприятия, приходящиеся на 1 кВт установленной мощности.
Таблица 1
|
Технология |
КПД, % |
Срок службы, лет |
Циклы зарядки-разрядки |
CAPEX евро/кВт |
|
Литий-ионный аккумулятор |
85-95 |
10-15 |
3500 |
160-1600 |
|
Свинцово-кислотный аккумулятор |
70-80 |
10 |
900 |
400-1500 |
|
Пневматический аккумулятор |
70-85 |
20-60 |
10000 |
1200 |
|
ГАЭС |
70-75 |
40-120 |
15000 |
500-5000 |
В России реализован ряд проектов систем накопления энергии, представленных в таблице 2. В настоящее время эксплуатируются гидроаккумулирующие станции: Загорская ГАЭС-1, Кубанская ГАЭС, Зеленчукская ГЭС-ГАЭС. Также реализуются СНЭ с использованием электрохимических методов накопления энергии [14].
Согласно исследованиям [15], в 2023 году рынок систем накопления энергии в мире вырос почти в три раза. Рост рынка произошел на фоне низких цен на СНЭ (в Китае стоимость электричества, запасаемого в СНЭ, стала на 43 % ниже по сравнению с предыдущим годом). Падение цен на СНЭ стало возможным за счет производства литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LFP), которые не требуют никеля. LFP-аккумуляторы постепенно вытесняют никель-магнезий-кобальтовые литий-ионные аккумуляторы (NMC). Рост производства LFP-аккумуляторов обусловлен ростом производственных мощностей Китая.
Компании за пределами Китая, многие из которых исторически специализировались на производстве LFP-аккумуляторов, планируют перейти к производству СНЭ с использованием LFP-аккумуляторов. Примером служат такие компании, как LG Energy Solutions, Samsung SDI, Panasonic, Freyr. Ожидается, что к 2030 году доля NMC-аккумуляторов на рынке снизятся до 1%.
Таблица 2
|
№ пп |
Местоположение |
Тип аккумуляторов |
Суммарная номинальная мощность / энергоемкость |
Назначение СНЭ |
Ввод в эксплуатацию |
|
1 |
г. Москва, ЕЭС России |
Цинк-бромные |
25 кВА / 25 кВт·ч |
Снижение затрат потребителя на покупку мощности и электроэнергии у потребителя |
Информация отсутствует |
|
2 |
ПС «Сколково», Московская обл., ИЦ «Сколково», ЕЭС России |
Литий-ионные (литий-никель-марганец-кобальтатные) |
1200 кВА / 1000 кВт·ч |
Источник бесперебойного питания (ИБП) |
2012 г. |
|
3 |
ПС Смирново», Московская обл., ИЦ «Сколково», ЕЭС России |
Литий-ионные (литий-никель-марганец-кобальтатные) |
1200 кВА / 1000 кВт·ч |
ИБП |
2012 г. |
|
4 |
ПС «Веселое», г. Сочи, п. Веселое, ЕЭС России |
Литий-ионные (литий-никель-марганец-кобальтатные) |
600 кВА / 500 кВт·ч |
ИБП |
2012 г. |
|
5 |
ПС «Спортивная», п. Красная поляна, ЕЭС России |
Литий-ионные (литий-никель-марганец-кобальтатные) |
600 кВА / 500 кВт·ч |
ИБП |
2012 г. |
|
6 |
ПС «Псоу», г. Сочи, ЕЭС России |
Литий-ионные (литий-никель-марганец-кобальтатные) |
1500 кВА / 2500 кВт·ч |
ИБП, регулирование частоты, компенсация пиковой мощности |
2013 г. |
|
7 |
ПС «Волхов-Северная», г. Санкт-Петербург, ЕЭС России |
Литий-ионные (литий-никель-марганец-кобальтатные) |
1500 кВА / 2500 кВт·ч |
Параллельная работа с газотурбинной установкой для выравнивания графика нагрузки и регулирования частоты |
2014 г. |
|
8 |
ПС «Восход», г. Омск, ЕЭС России |
Литий-ионные (литий-никель-марганец-кобальтатные) |
1200 кВА / 1000 кВт·ч |
ИБП |
2014 г. |
|
9 |
Зарядная станция для электромобилей г. Рязань, ЕЭС России |
Литий-ионные (литий-железо-фосфатные) |
22 кВА / 100 кВт·ч |
СНЭ для зарядной станции электромобилей |
2016 г. |
|
10 |
Забайкальский край, с. Менза |
Литий-ионные (литий-железо-фосфатные) |
90 кВА / 300 кВт·ч |
Оптимизация работы солнечной электростанции и ДЭС |
2017 г. |
|
11 |
Республика Тыва, п. Мугур-Аксы |
Литий-ионные (литий-железо-фосфатные) |
400 кВА / 460 кВт·ч |
Оптимизация работы солнечной электростанции и ДЭС |
2019 г. |
|
12 |
Республика Тыва, п. Кызыл-Хая |
Литий-ионные (литий-железо-фосфатные) |
100 кВА / 250 кВт·ч |
Оптимизация работы солнечной электростанции и ДЭС |
2019 г. |
В дальнейшем ожидается устойчивый рост вводов СНЭ. Такое возрастание будет обусловлено ростом емкости рынка СНЭ в Китае, который станет крупнейшим рынком СНЭ в мире.
Вторым по величине рынком, вероятно, станут США. В Европе, Африке и на Ближнем Востоке ожидается спрос на СНЭ с аккумуляторными батареями. Среди европейских стран ожидается спрос в Германии, Италии, Австрии, Швейцарии, Бельгии, Швеции, Испании и Великобритании.
Согласно прогнозу, к 2030 году мировой рынок СНЭ будет поддерживаться ежегодными темпами роста в 21 %. Мощность и емкость составят 137 ГВт и 442 ГВт·ч.
Среди причин создания систем накопления энергии – распространение электростанций на ВИЭ; необходимость электроснабжения населенных пунктов, удаленных от объектов электрогенерации; потребность в источниках бесперебойного питания на объектах электроэнергетики.
Традиционный тип СНЭ – гидроаккумулирующая электростанция. Однако, несмотря на ее преимущества, такие как значительная емкость и длительный срок эксплуатации, ГАЭС не получили широкого распространения, необходимого для решения всего спектра задач, стоящих перед СНЭ. Это связанно с необходимостью наличия подходящих водоемов и определенного рельефа местности, а также с высокими капиталовложениями. Это стало толчком для развития иных типов СНЭ.
В России и мире распространены электрохимические аккумуляторы. Из всех видов СНЭ такие аккумуляторы применяются наиболее широко, и пока именно они рассматриваются при планировании и реализации СНЭ на практике.
Опыт реализации СНЭ, таких как ГАЭС и аккумуляторные батареи, показывает их достоинства и большой потенциал, их эффективность при решении поставленных перед ними задач. Поэтому можно ожидать, что в ближайшем будущем будет продолжаться разработка новых СНЭ и улучшение характеристик уже имеющихся систем.
Существует также другие типы систем СНЭ, однако ряд разработок пока представлены только теоретически, на практике такие системы еще не реализованы и не испытаны. Среди них – воздухоаккумулирующие, гравитационные, криогенные и другие перспективные типы СНЭ.
1. Konovalov, Yu.V. Gidroelektrostancii maloy moschnosti / Yu.V. Konovalov, V.Yu. Konev // Vestnik Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2015. № 9. – S. 160-163.
2. Konovalov, Yu.V. Puti povysheniya dinamicheskoy stabilizacii rezhimov raboty elektrostanciy / Yu.V. Konovalov, A.A. Dudko // Sbornik nauchnyh trudov Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universitet. 2013. T. 1. № 1. – S. 22-28.
3. Konovalov, Yu.V. Tendencii razvitiya mirovoy energetiki v sovremennyh usloviyah / Yu.V. Konovalov, N.V. Buyakova, N.K. Malinin, A.A. Terehova, A.S. Huhryanskaya. D.A. Marchenko // Sbornik nauchnyh trudov Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2024. № 21. – S. 302-308.
4. Prankevich G.A. Razrabotka matematicheskoy modeli i metodiki vybora parametrov nakopitelya energii kak ele-menta energosistemy: dis. 05.14.02. - Novosibirsk, 2021. - 158 s.
5. Charonov, V.Ya. Elektrodvigateli nasosnyh stanciy kak potrebiteli-regulyatory aktivnoy i reaktivnoy moschnosti / V.Ya. Charonov, A.N. Evseev, B.N. Abramovich, Yu.V. Konovalov, A.S. Loginov // Neftyanoe hozyaystvo. 1990. № 5. – S. 9.
6. Bahodir A.N. Nozina Sh.Sh. Ob ponyatie gidroakkumuliruyuschey elektrostanci (GAES) // ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES. - 2021. - №2. - S. 286-293.
7. Malinina T.V., Potasheva A.S., Shul'ginov R.N. Kompleksnaya ocenka effektivnosti funkcionirovaniya GAES na rynke elektroenergii severo-zapada // π-Economy. - 2012. - №2. - S. 82-85.
8. Patent RF № 2669885S1/11.09.2019.
9. Pervyy v mire gravitacionnyy akkumulyator podklyuchili k energosisteme Kitaya — on zapasaet 100 MVt·ch v pressovannoy zemle // 3DNews URL: https://3dnews.ru/1101407/kitay-pervim-v-mire-podklyuchil-gravitatsionniy-akkumulyator-k-natsionalnoy-energosisteme (data obrascheniya: 15.10.2025).
10. Liquid Air Energy Storage (LAES) // Sumitomo Heavy Industries, Ltd. URL: https://www.shi.co.jp/english/products/energy/cryobattery/index.html (data obrascheniya: 27.03.2025).
11. Mihtahov K.R., Orlov A.V. Sverhprovodnikovye induktivnye nakopiteli energii // Sovremennye innovacii. - 2017. - № 6.
12. Gric V.I., Dubovoy T.V. Ioni-story // Akutal'nye problemy aviacii i kosmonavtiki. - 2015. - №1. - S. 240-241.
13. Jie Zhang, Min Gu, Xi Chen Su-percapacitors for renewable energy applica-tions: A review // Micro and Nano Engineer-ing. - 2023. - №21
14. Ionistory v energetike // Energovektor URL: https://www.energovector.com/energoznanie-ionistory-v-energetike.html (data obrascheniya: 15.10.2025).
15. Global Energy Storage Market Rec-ords Biggest Jump Yet // BloombergNEF URL: https://about.bnef.com/blog/global-energy-storage-market-records-biggest-jump-yet/ (data obrascheniya: 15.10.2025).
