Реферат Аккумулирование энергии. Технические достижения и перспективы накопителей энергии
advertisement
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ Реферат на тему «Аккумулирование энергии. Технические достижения и перспективы накопителей энергии.» Новосибирск, 2022 Оглавление Введение ............................................................................................................... 3 Проблемы при эксплуатации энергосистемы ..................................................... 4 Виды накопителей энергии и способы их применения...................................... 5 Перспективы развития СНЭ .............................................................................. 13 Заключение ......................................................................................................... 15 Список литературы ............................................................................................ 15 Введение Применение накопителей энергии является одним из самых быстрорастущих направлений в электроэнергетики, среднегодовые темпы роста которых составили 47% согласно базе данных Министерства энергетики США. Рисунок 1 – Динамика ввода систем накопления энергии в мире за 10 лет Такой бурный рост и интерес к системам накопления энергии обусловлен в первую очередь широким распространение ВИЭ, где системы накопления энергии помогают сгладить неравномерность выработки электроэнергии. Однако более 90% реализованных проектов использования СНЭ не связанны с ВИЭ, а направлены на решение задач и снижения остроты проблем энергосистемы. Как видно из Рисунка 2, основной целью использования является регулирование частоты. Рисунок 2 – Структура целевого использования СНЭ (А) и проекты по использованию СНЭ на 2019-2021 гг. Поэтому рассмотрим, какие системы накопления энергии применяются и какие влияния проблем энергосистем они снижают. Проблемы при эксплуатации энергосистемы Единая национальная энергетическая система (ЕНЭС) России является огромным и очень сложным техническим объектом, в ходе эксплуатации которого возникают ряд существенных проблем. Среди них выделим следующие: 1) Неравномерность графика нагрузки; 2) Провалы напряжения; 3) Отклонение частоты; 4) Неравномерность выработки электроэнергии ВИЭ. Неравномерность графика нагрузки обусловлена составом потребителей, отношением количества промышленных предприятий к бытовому потребителю, технологическими процессами на промышленных предприятиях, неравномерность использования электроэнергии бытовым потребителем, у которого отчетливо наблюдаются утренний и вечерний максимумы и дневной и ночной минимум. Неравномерность приводит к резкому повышению нагрузки на генераторы в часы максимума и недогруженности в часы минимума, что приводит к снижению сроков эксплуатации оборудования и увеличению эксплуатационных расходов. Провал напряжения – это временное уменьшение напряжения в конкретной точке электрической системы ниже установленного порогового значения. Причинами провала напряжения являются: пусковые токи мощных двигателей и генераторов, коммутации сети, погодные явления, внезапное повышение нагрузки и короткие замыкания в сети. Провал напряжения ведёт к сбою в работе различных электронных средств (средства управления, учета и контроля, микропроцессорная релейная защита) и технологического оборудования, что в свою очередь ведет к снижению надежности и экономическому ущербу. Номинальное значение частоты в России равно 50 Гц и согласно ГОСТ 32144-2013, её отклонение не должно превышать ±0,2 Гц в течении 95% времени интервала в одну неделю и ±0,4 Гц в течении 100% времени интервала в одну неделю. Отклонение частоты возникает в результате дефицита или избытка генерируемой мощности. Отклонение частоты оказывает негативное влияние на оборудование, так при снижении частоты ротор двигателя замедляется, и это ведет к снижению эффективности работы двигателя, а при повышении частоты приводит к перегреву и повышенному износу, что существенно снижает срок службы. Согласно Гражданскому кодексу Российской Федерации ст.542 качество передаваемой энергии должно соответствовать требованиям, установленным в соответствии законодательством Российской Федерации. Также, если нормы качества электроэнергии не будут соответствовать нормативным, то абонент вправе отказаться от оплаты такой энергии. Поэтому энергоснабжающие организации заинтересованы в повышении качества и надежности энергоснабжения не только юридически, но и материально. Виды накопителей энергии и способы их применения Рассмотрев часть проблемы, которые возникаю в ходе эксплуатации ЕНЭС, перейдем к рассмотрению видов накопителей энергии, которые помогут снизить остроту этих проблем. Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии, как понятной из названия, основаны на эффекте сверхпроводимости, когда при критических низких температурах электрическое сопротивление проводника становиться очень низким, из-за чего и энергия, выделяющаяся за счет этого сопротивления, становится очень низкой. Поэтому, такой накопитель, теоретически, может накапливать энергию в виде энергии магнитного поля, создаваемого охлажденным до сверхнизких температур соленоидом, и сберегать её в течении длительного времени. Рисунок 3 – Конструкция СПИНЭ Преимуществами СПИНЭ являются: 1) Высокий КПД до 97%; 2) Высокая надежность; 3) Большое время хранения энергии; 4) Отсутствие преобразования одного вида энергии в другой; 5) Быстрота ввода в работу со временем реакции 1-2 мс; 6) Высокая выходная мощность. Недостатками СПИНЭ являются: 1) Очень высокая стоимость; 2) Опасность утечки охлаждающей жидкости. Благодаря быстроте реакции, большой выходной мощности, высокому КПД, а также почти неограниченному времени хранения энергии, целесообразно использовать СПИНЭ сглаживания неравномерных графиком нагрузки, заряжаясь в часы дневного и ночного минимума и разряжаясь в часы утреннего и вечернего максимума. Тема устройств на основе сверхпроводимости является достаточно актуальной для России. Так в 2009 году Госкорпорацией «Росатом» утвержден проект «Инновационная энергетика / Сверхпроводниковая энергетика», которая была рассчитана на 2010-2015 гг. Рисунок 4 – Стадии проекта «Сверхпроводниковая энергетика» В рамках этого проекта был создан сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии на основе технологии высокотемпературной сверхпроводимости мощностью 1 МДж. Также, в 2014 в НТЦ Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы (ФСК ЕЭС) был введен в эксплуатацию криогенный испытательный комплекс для сверхпроводниковых устройств. Рисунок 5 – ВТСП СПИН 1 МДж Суперконденсаторы – электрохимические устройства, конденсаторы с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в которых служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. В состав суперконденсатора (ионистора) входят два погруженных в электролит электрода, и сепаратор. Задача последнего заключается в предотвращении перемещения заряда между двумя электродами, имеющими противоположную полярность. Рисунок – 6 Конструкция суперконденсатора Преимуществами суперконденсаторов являются: 1) Высокий КПД от 95%; 2) Большой срок эксплуатации; 3) Большое количество циклов заряд-разряд; 4) Большая механическая прочность; 5) Независимость от погодных условий 6) Малые размеры и во много раз превышающая емкость по сравнению с обычными конденсаторами. Недостатками суперконденсаторов являются: 1) Высокий саморязряд; 2) Низкое рабочее напряжение. Суперконденсаторы благодаря высокому КПД, большому количеству циклов заряд-разряд, а также большому сроку эксплуатации разумно применять для поддержания частоты в энергосистеме и ликвидации провалов напряжения. В России крупнейшей компанией по разработке, проектировании, производству и практическому применению СНЭ на суперконденсаторов является ООО «Titan Power Solutions». Маховичный накопитель энергии – это накопитель энергии механического типа, где энергия накапливается и сохраняется в виде кинетической энергии вращающегося маховика, а выделяется в виде энергии вращения. На сегодняшний день, наиболее современным и перспективным является супермаховик. Рисунок 7 – Конструкция супермаховика Преимуществами МНЭ являются: 1) Высокая надёжность и эффективность; 2) Срок эксплуатации 15-20 лет; 3) КПД в районе 95%; 4) Экологичность; 5) Низкая стоимость; 6) Быстрота и большое количество циклов заряд-разряд; Недостатками МНЭ являются относительно высокие постоянные потери. На основе преимуществ маховичковых накопителей энергии можно сделать вывод, что эффективно будет использовать их в связке с возобновляемыми источниками энергии, как источник бесперебойного электроснабжения, в случае просадки выработки электроэнергии на ВИЭ. Уже есть примеры такого использования маховиков. Так, в США компании Hawaiian Electric и Amber Kinetics запустили совместный проект по внедрению четырехчасовой системы хранения кинетической энергии в локальные сети для поддержки и помощи в интеграции возобновляемых источников энергии. По их данным, один блок мощностью 8 кВт способен питать около 25 частных домов в течении часа. Помимо вышеперечисленных СНЭ, стоит также упомянуть и аккумуляторные батареи большой мощности, принцип действия которых основан на преобразование электрической энергии в химическую при заряде и обратно при разряде. Они имеют большое количество видов, но наиболее распространёнными являются свинцово-кислотные, никель-кадмиевые и литий-ионные. Преимуществами АБ являются: 1) Относительно низкая стоимость; 2) Высокая энергоемкость; 3) Быстрота ввода в работу 4) Высокая надежность Недостатками АБ являются: 1) Низкий относительно других СНЭ КПД равный 65-70%; 2) Низкое число циклов заряд-разряд; 3) Негативное воздействие на окружающую среду при утилизации; 4) Малое время хранения заряда; 5) Падение энергоемкости при неполном заряде или разряде у некоторых типов АБ (эффект памяти). Благодаря быстрому вводу в работу и надежности, аккумуляторные батареи целесообразно применять в качестве резервного источника питания для потребителей I категории, повышая надежность электроснабжения. В России и в мире насчитывается множество программ по применению СНЭ на основе аккумуляторных батарей большой мощности. В России в рамках программ различных регионах по цифровой трансформации электросетевого комплекса начали устанавливать накопители энергии на базе литий-ионных батарей. Например, такой накопитель был установлен в Кировской области для бесперебойного питания одного из ФАПов. Ещё один накопитель установлен в Белгороде. Таблица 1 – Реализованные проекты СНЭ в России без учета ГАЭС Суммарная № Местоположение Тип номинальная аккумулятора мощность Назначение СНЭ Ввод в эксплуатацию /энергоемкость 1 ПС «Сколково», Литий-ионные Московская обл., (литий-никель- 1200 кВА/ ИЦ «Сколково», марганец- 1000 кВт*ч ЕЭС России кобальтные) ПС «Псоу», 2 Сочи, ЕЭС России Литий-ионные (литий-никель- 1500 кВА/ марганец- 2500 кВт*ч кобальтные) ИБП 2012 ИБП, регулирование частоты, компенсация 2013 пиковой мощности Параллельная работа с газотурбинной ПС «ВолховСеверная», 3 СанктПетербург, ЕЭС России установкой для Литий-ионные (литий-никель- 1500 кВА/ марганец- 2500 кВт*ч кобальтные) компенсации пиковой мощности, 2014 выравнивание графика нагрузки, регулирование частоты Зарядная станция 4 для Литий-ионные электромобилей, (литий-железо- Рязань, ЕЭС фосфатные) 22 кВА/ 100 кВт*ч СНЭ для зарядной станции 2016 электромобилей России 5 Республика Литий-ионные Тыва, п. Мугур- (литий-железо- Аксы фосфатные) 400 кВА/ 460 кВт*ч Оптимизация работы солнечно-дизельной электростанции 2019 Рисунок 8 – Накопитель энергии на базе литий-ионных батарей в Белгороде В 2017 году в Калифорнии в Сан-Диего был открыт на тот момент крупнейший в мире промышленный сетевой накопитель энергии на основе литий-ионных батарей. Данный объект представляет собой 24 контейнера, где размещено 400 тыс. литий-ионных аккумулятора, которые собраны в 20 тыс. модулей. Установленная мощность объекта составляет 30 МВт, а емкость равна 120 МВт*ч. Рисунок 9 – Накопитель энергии в Сан-Диего Также, новосибирским предприятием ООО «Системы накопления энергии» совместно с учеными из Новосибирского государственного технического университета созданы накопители энергии на основе лития железо-фосфата, которые устанавливались на солнечной электростанции в Башкирии, а также на солнечно-дизельных электроустановках в Красноярском крае. Перспективы развития СНЭ Компания Bloomberg New Energy Finance (BNEF) опубликовала новый прогноз развития рынка систем накопления энергии (СНЭ) По оценке компании, установленная мощность накопителей энергии в мире к 2040 году взлетит до 1095 ГВт, а их емкость достигнет 2850 ГВт*ч. Нынешние показатели: 9 ГВт/17 ГВт*ч (2018 год). Статистика не включает ГАЭС. Рисунок 10 – Прогноз развития рынка систем накопления энергии до 2040 года Такой рост достигается за счет следующих факторов: 1) Удешевление и массовое распространение генерации на основе ВИЭ; 2) Развитие и массовое распространение электрического транспорта; 3) Промышленное освоение литий-ионных АКБ и резкое снижение их стоимости; 4) Рост потребности в генерирующих и сетевых мощностях. Однако, хоть рынок систем накопления энергии бурно развивается, существует ряд различных рисков, которые препятствуют его развитию. Технологические риски выключают в себя: 1) Недостатки проекта. Негативное влияние на технологический процесс на любом дальнейшем этапе жизненного цикла; 2)Низкое качество изготовления изделия. Некачественные материалы при изготовлении, некачественная сборка, отсутствие приемо-сдаточных испытаний могут привести к отказу в работе; 3) Нарушение технологий монтажа. Влияет на дальнейшую эксплуатацию и определяет вероятность повреждения всей установки; 4) Несвоевременное техническое обслуживание и ремонт. Ухудшение технических параметров изделия. Быстрая исчерпаемость ресурсов. Преждевременное старение и деградация; 5) Отсутствие методов диагностики. Повышает риск выхода оборудования из строя; 6) Нарушение правил эксплуатации. Развитие дефектов. Невозможность нормального функционирования оборудования; 7) Недостаточная квалификация обслуживающего персонала. Обслуживающий персонал должен иметь достаточные навыки и требуемую квалификацию, без чего правильная и качественная эксплуатация изделия не представляется возможным; 8) Ограниченность времени выдачи мощности. Снабжение от накопителей требует точных расчетов системы на предмет балансов генерируемой, накапливаемой и отпускаемой энергии. В случае их отсутствия работа системы будет неэффективна или даже бесполезна. К политическим рискам в основном относятся вводимы против России санкции, которые замедляют производство новых систем накопления энергии. К экономическим рискам относятся дефицит сырья, необходимого для производства накопителей энергии; экономической целесообразностью применения накопителей энергии, т.к. производство электроэнергии может оказаться дешевле, чем её хранение; общее замедление экономике страны. К правовым рискам относится то, что в российском законодательстве нет понятия «система накопления энергии», из-за чего невозможен учет в законодательстве особенностей регулирования деятельности по производству и эксплуатации СНЭ. К социокультурным рискам относится тот факт, что отсутствует достаточно известное практическое применение СНЭ на практике, что вызывает сомнения в их целесообразности. Заключение Одно из главных преимуществ накопителей энергии в их многофункциональности. Один вид накопителя энергии может выполнять как одну задачу: поддержание частоты, компенсация провалов напряжения, сглаживание графика нагрузки и т.д. – так и несколько из них одновременно, что делает их достаточно перспективным направление развития энергетики в России и мире. Широкое распространение ВИЭ только подогревает интерес к системам накопления энергии. Хотя в мире системы накопления энергии уже активно внедряются и эксплуатируются, в России данное направления находится на начальной стадии. Для дальнейшего успешного развития накопителей энергии необходимо ввести ряд изменений и дополнений в нормативно-правовую базу, регулирующую производство, передачу и хранение электроэнергии, закрепить понятия СНЭ и утвердить регламенты и нормы их производства и использования. Список литературы 1. ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». 2. Накопители энергии. Росатом. Официальный сайт – Режим доступа: https://rosatom.ru/production/nakopiteli-energii/ 3. Бушуев В. Инфраструктурные накопители энергии / Бушуев В., Новиков Н. // Общественно-научный деловой журнал Энергетическая политика. – 20.10.2020. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://energypolicy.ru/v-bushuev-n-novikov-infrastrukturnye-nakopiteliv-energetike/energetika/2020/14/20/ 4. АРВЭ. Накопительная сила энергии. В России формируется рынок систем накопления энергии. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://rreda.ru/n88 5. Хлюпин П.А. Накопители электрической энергии для распределительных энергетических систем. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/nakopiteli- elektricheskoy-energii-dlya-raspredelennyh-energeticheskihsistem/viewer 6. Савина Н.В. повышения Накопители электрической энергии как средство надежности и экономичности функционирования электрической сети / Савина Н.В., Лисогурская Л.Н., Лисогурский И.А. // Международный научно-исследовательский журнал. – №2(92). 7. Соколов М.А. Сравнительный анализ систем запасения энергии и определение оптимальных областей применения супермаховиков / Соколов М.А., Томасов В.С., [Электронный ресурс]. современных Jastrzebski R.P. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/sravnitelnyy-analiz-sistem-zapasaniyaenergii-i-opredelenie-optimalnyh-oblastey-primeneniya-sovremennyhsupermahovikov/viewer 8. Инфраструктурный центр EnergyNet. Применение систем накопления энергии в России: возможности и барьеры. Экспертно-аналитический отчет. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.eprussia.ru/upload/iblock/1b8/1b83729ddd27beaeb629e380293 a4585.pdf 9. ФСК ЕЭС. Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.fsk-ees.ru/upload/docs/ies_aas.pdf ФСК ЕЭС. Паспорт программы инновационного развития ПАО «ФСК ЕЭС» на период 2021-2025 гг. с перспективой до 2030 года. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.fsk- ees.ru/upload/docs/2022-06-28-PIR-2030.pdf 11. PRoATOM. Проект «Инновационная энергетика / Сверхпроводниковая индустрия». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=print&sid=7555 12. Windpower. Engineering & Development. Hawaiian Electric launches fourhour kinetic energy storage system. доступа: [Электронный ресурс]. Режим https://www.windpowerengineering.com/hawaiian-electric- launches-four-hour-kinetic-energy-storage-system/
