DOI 10.57112/22022-39

УДК 621.354

О РОЛИ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ГИБРИДНЫХ СЕТЯХ И ПЕРСПЕКТИВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Пролубников Михаил Александрович

Сташко Василий Иванович

Аннотация:

В статье проведен анализ доли участия в генерации электроэнергии существующих энергоресурсов, таких как газ, ветер и уголь. Рассмотрены причины изменения структуры генерации и потребления электроэнергии в мире, основные вызовы с которыми придется столкнутся при стремительно набирающим темпы энергетическом переходе с резким увеличением доли возобновляемых источников энергии. Были рассмотрены существующие классические и наиболее перспективные варианты аккумуляции выработанной энергии, например гидроаккумуляторные станции и накопители, основанные на электролизном преобразовании водорода и метана, а также их «неэлектрическое» применение, в случае, если они окажутся невостребованными, например в промышленности или в качестве топлива для  наземного или морского транспорта. Была сравнена и оценена способность различных по своей сути накопителей сохранять ее с течением времени энергии и их максимально возможная накапливаемая мощность.

Ключевые слова: источники бесперебойного питания, возобновляемые источники энергии, система автономного электроснабжения, специальные объекты, надежность, гибридные системы электроснабжения.

В последние годы в система электроснабжения начала подвергаться существенным изменениям. В странах Европы, Азии и северной Америки основными стимулами этих изменений были мотивированы современными запросами и тенденциями на декарбонизацию, экологичность, снижение потребления различных видов ископаемого топлива и новый рост числа атомных электростанций после постепенного сокращение числа и мощностей этих станций, начатое еще с 1986 года из-за аварии на ЧАЭС, однако в 2011 году произошел спад из-за аварии на АЭС Фукусима-1.

Эти изменения подкрепляются тремя основными факторами:

– увеличение производства электроэнергии с помощью возобновляемых источников электроэнергии, таких как ветер, солнце и вода;

– быстрая цифровизация энергетических систем, которая в ближайшем будущем приведет к массовому созданию и использованию интеллектуальных систем, которые смогут повысить гибкость и надежность энергосетей;  

– продолжающаяся децентрализация генерации электроэнергии, что приводит к увеличению числа потребителей и просьюмеров (это потребители, которые сами производят, потребляют и хранят электроэнергию) вместо бывших потребителей [1].

В текущем энергетическом переходе, который продолжается последние насколько лет роль аккумулирования электроэнергии становится все более важной.

В последние годы значительно выросла доля в генерации электроэнергии с помощью возобновляемых источников, особенно таких как ветровая и солнечная электроэнергия, заметно увеличились. В период с 1990 по 2021 год в Европе «новые» возобновляемые источники электроэнергии, без учета гидроэнергетики, выросла с менее чем 1% до примерно 20%, где основной вклад внесла ветрогенерация. В целом, в процентном соотношении, примерно с 2017 года возобновляемые источники энергии являются основными, источник энергии для производства электроэнергии в ЕС, что видно на графике, представленном на рисунке 1.

Рисунок 1 - Выработка электроэнергии из различных источников энергии в ЕС-28 в период с 1990 по 2020 год, в ТВтч        

С увеличением доли возобновляемых источников энергии в системе генерации, система электроснабжения потребует большей гибкости в системе управления системой. Для того чтобы сбалансировать спрос и предложение электроэнергии необходимо будет хранить сгенерированную электроэнергию в течении нескольких дней или даже недель и месяцев.

Существует много разных способов хранения электроэнергии в зависимости от уровня напряжения, а также это зависит от типов накопителей (например, гидроаккумуляторные станции или аккумуляторные батареи) в умной энергетической системе, рисунок 2. На этом рисунке показано возможное размещение различных типов накопителей в умной энергетической системе.

Наиболее перспективные способы хранения электроэнергии на сегодняшний день это, упомянутые выше гидроаккумуляторные станции и химические аккумуляторы. Они позволяют накапливать выработанную электроэнергию с помощью производства химических веществ, например водорода или метана методом электролиза [3].

Рисунок 2 – Визуализация идеи распределенной генерации

При необходимости произведенные газы могут быть повторно «электрифицированы» или использоваться в других секторах, например метан для тяжелой промышленности. Кроме того, водород можно использовать в магистральных трубопроводах транспортировки природного газа, а также в морском и наземном транспорте в качестве топлива, способствуя тем самым снижению потребления традиционных ископаемых видов топлива. Ожидается, что в будущем генерируемые мощности, как распределенной, так и централизованной энергетики будут увеличиваться. Более того, и потребители будет все активнее участвовать в рынках электрической мощности, увеличится число просьюмеров. Все это приведет к все большой необходимости более гибкой системе электроснабжения (например, реагирование на спрос, гибкой генерации и расширение сети, включая новых мощных потребителей).

С момента появления электроэнергетических систем с использованием ВИЭ накопители электроэнергии играли важную роль в уравновешивании спроса и предложения электроэнергии. В зависимости от особенностей конкретного типа накопителя электроэнергии он может использоваться для разных целей. Накопители электроэнергии используются сейчас, как правило для обеспечения бесперебойного электроснабжения объектов первой особой группы.

В настоящее время существующие хранилища электроэнергии можно разделить на краткосрочные и долгосрочные варианты хранения в зависимости от их средней емкости и максимального возможного времени хранения электроэнергии (рисунок 3).

Рисунок 3 – Зависимость потенциально возможной способности сохранять накопленную энергию с помощью различный технологий с течением времени [2]

Ключевой особенностью, отличающей системы на водородных накопителях электроэнергии от других видов, например, аккумуляторов или систем накопления электроэнергии на сжатом воздухе, является их гибкость. Эта характеристика имеет решающее значение для сетевых операторов, чтобы обеспечить надежность системы и интеграцию ВИЭ с многочисленными конечными потребителями электроэнергии в энергетической, отопительной и транспортной инфраструктуре. С помощью систем на водородных накопителях, энергия может храниться в больших объемах, т. е. от 1 ГВтч до 1 ТВтч, в то время как аккумуляторы обычно имеют емкость от 10 кВтч до 10 МВтч, а накопители на сжатом воздухе и гидроаккумуляторные станции — от 10 МВтч до 10 ГВтч. Другие интересные возможности использования водорода связаны с электромобилями на топливных элементах или устройствами, такими как вилочные погрузчики, удлинители запаса хода для аккумуляторных электромобилей, резервные источники питания, электроснабжения удаленных или изолированных потребителей и поставка сырья для различных промышленных предприятий (например, биоперерабатывающих заводов). Степень интеграции систем на водородных накопителях энергии на рынке накопителей энергии будет зависеть от различных факторов, включая нетехнологические барьеры, такие как политика, безопасность и экономические вопросы.

Водород можно использовать для краткосрочного и долгосрочного хранения энергии. Фактические исследования и разработки сосредоточены на биологической конверсии водорода в метан и другие углеводороды. Следовательно, если будет обеспечена достаточная инфраструктура точек заправки автомобилей на водороде, то он может быть выгодно использован в транспортной инфраструктуре, поскольку он внедряется в электромобили и автомобили на водороде. Проанализированные сценарии, то есть проекты, сочетающие ветрогенерацию и водородную энергетику, доказывают, что зеленый водород, полученный путем электролиза, может повысить эффективность использования возобновляемой энергии для различных целей. Интегрированная модель производства, хранения, транспортировки и использования водорода для получения низкоуглеродного тепла, энергии и развития транспорта является перспективным направлением исследований и разработок [4].

В последние годы значительно расширились возможности использования накопителей электроэнергии в умных энергосистемах, а также увеличилось разнообразие типов накопителей: во-первых,  у нас все еще есть классические аккумуляторы и гидроаккумуляторные станции, в основном используемые на уровне распределительной сети; Во-вторых, существуют варианты накопителей, которые могут быть размещены либо на уровне местной сети, либо в децентрализованных объектах, т. е. подключены к сети или «за счетчиком», и в-третьих, существует вариант долгосрочного хранения с помощью водорода и метана, которые в будущем также могут соединить различные секторы экономики, например, сектор электроэнергетики и транспортную инфраструктуру.

Список используемой литературы

1. Корытченкова, Е. Е. Водородные топливные элементы как накопители энергии в составе интеллектуальных энергосистем / Е. Е. Корытченкова // Электроэнергетика : Пятнадцатая всероссийская (седьмая международная) научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: материалы конференции. В 6-ти томах, Иваново, 07–10 апреля 2020 года. – Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина, 2020. – С. 71. – EDN SHKFLY.

2. On current and future economics of electricity storage/ Albert Hiesl & Amela Ajanovic & Reinhard Haas // Blackwell Publishing. – 2020. – № 10(6). – С. 1176-1192,. – EDN JRDFUR.

3. Коноплев, Н. Е. Повышение энергоэффективности систем электроснабжения путем внедрения водородных накопителей / Н. Е. Коноплев, В. И. Сташко // Интеллектуальная энергетика : Сборник научных статей кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» АлтГТУ им. И. И. Ползунова / Сост. С. О. Хомутов, В. И. Сташко. – Барнаул : ООО «МЦ ЭОР», 2021. – С. 146-149. – EDN JQUWEZ.

4. Яненко, Ю. Б. Водородный тренд в судостроении. Новый импульс / Ю. Б. Яненко, М. С. Бочарников // Морской вестник. – 2020. – № S1(14). – С. 109-111. – EDN MQCXQI.

Информация об авторах

Сташко В. И. – к.т.н., доцент, Пролубников М. А. – студент группы 8Э-21, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.

-