Представлен обзор эффективных систем аккумулирования произведенной электроэнергии, которые устраняют недостаток возобновляемых источников энергии, заключающийся в непостоянстве выдаваемой ими мощности, обусловленной природными особенностями таких источников. Обоснованы прогнозы использования систем накопления энергии в мире
обзор, системы накопления энергии, возобновляемые источники энергии, прогноз
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. Коновалов, Ю.В. Гидроэлектростанции малой мощности / Ю.В. Коновалов, В.Ю. Конев // Вестник Ангарского государственного технического университета. 2015. № 9. – С. 160-163.
2. Коновалов, Ю.В. Пути повышения динамической стабилизации режимов работы электростанций / Ю.В. Коновалов, А.А. Дудко // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университет. 2013. Т. 1. № 1. – С. 22-28.
3. Коновалов, Ю.В. Тенденции развития мировой энергетики в современных условиях / Ю.В. Коновалов, Н.В. Буякова, Н.К. Малинин, А.А. Терехова, А.С. Хухрянская. Д.А. Марченко // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. 2024. № 21. – С. 302-308.
4. Пранкевич Г.А. Разработка математической модели и методики выбора параметров накопителя энергии как эле-мента энергосистемы: дис. 05.14.02. - Новосибирск, 2021. - 158 с.
5. Чаронов, В.Я. Электродвигатели насосных станций как потребители-регуляторы активной и реактивной мощности / В.Я. Чаронов, А.Н. Евсеев, Б.Н. Абрамович, Ю.В. Коновалов, А.С. Логинов // Нефтяное хозяйство. 1990. № 5. – С. 9.
6. Баходир А.Н. Нозина Ш.Ш. Об понятие гидроаккумулирующей электростанци (ГАЭС) // ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES. - 2021. - №2. - С. 286-293.
7. Малинина Т.В., Поташева А.С., Шульгинов Р.Н. Комплексная оценка эффективности функционирования ГАЭС на рынке электроэнергии северо-запада // π-Economy. - 2012. - №2. - С. 82-85.
8. Патент РФ № 2669885С1/11.09.2019.
9. Первый в мире гравитационный аккумулятор подключили к энергосистеме Китая — он запасает 100 МВт·ч в прессованной земле // 3DNews URL: https://3dnews.ru/1101407/kitay-pervim-v-mire-podklyuchil-gravitatsionniy-akkumulyator-k-natsionalnoy-energosisteme (дата обращения: 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 (дата обращения: 27.03.2025).
11. Михтахов К.Р., Орлов А.В. Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии // Современные инновации. - 2017. - № 6.
12. Гриц В.И., Дубовой Т.В. Иони-сторы // Акутальные проблемы авиации и космонавтики. - 2015. - №1. - С. 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. Ионисторы в энергетике // Энерговектор URL: https://www.energovector.com/energoznanie-ionistory-v-energetike.html (дата обращения: 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/ (дата обращения: 15.10.2025).
