Децентрализация генерации. Как обеспечить устойчивость энергосистемы Юга

Риск нестабильного функционирования энергетической системы Украины остается высоким до нашей победы. Это учтено в Энергетической стратегии Украины до 2050 года, утвержденной распоряжением Кабмина от 21 апреля 2023 года, где к важным факторам преодоления последствий российско-украинской войны отнесена децентрализация генерации электроэнергии по всей территории страны для улучшения устойчивости и надежности энергообеспечения.

Затронутый вопрос также в значительной степени связан с развитием отечественной зеленой энергетики. В ходе экспертной дискуссии «Зеленая энергетика для восстановления послевоенной Украины» в Брюсселе министр энергетики Герман Галущенко заявил, что в послевоенном восстановлении Украины зеленая трансформация должна находиться в центре внимания. «Наша цель — построить 7,1 ГВт новых мощностей возобновляемых источников энергии, переходя на рыночные модели стимулирования зеленой энергетики, в частности на зеленые аукционы. Мы также планируем на первом этапе установить 750 МВт аккумуляционных мощностей, что повысит стабильность энергетической системы», — объяснил он. Заметим, что именно установка аккумуляционных мощностей является основным фактором реализации направления децентрализации генерации электроэнергии.

В использовании ВИЭ следует отметить значительные потенциальные возможности Украины в развитии таких ее составляющих, как ветровая и солнечная энергетика. Согласно Атласу энергетического потенциала возобновляемых источников энергии Украины (Киев, 2020, Институт возобновляемой энергетики НАН Украины) годовое производство электроэнергии ветра может составить почти 2200 млрд кВт·ч, что более чем в десять раз превышает современное годовое потребление электроэнергии в Украине. Для солнечных электростанций теоретическая установленная мощность составляет 82 768 МВт, а годовой потенциал выработки электрической энергии СЭС в Украине — около 100 млрд кВт·ч.

Кроме этого, развитие систем хранения энергии является мировым инновационным трендом. По оценкам Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), к 2030-му общая мощность аккумуляторов на рынках Северной Америки, Европы и Юго-Восточной Азии вырастет до 250 ГВт, при том что в 2014 году она составляла всего 0,8 ГВт. В НЭК «Укрэнерго» рассчитывают, что национальной энергосистеме к 2025 году потребуется дополнительно 2,5 ГВт мощности для балансирования энергии ветра и солнца.

Системы накопления электроэнергии (СНЭ) являются одним из быстрорастущих секторов энергетики. За десять лет этот сектор увеличился в 48 раз, среднегодовые темпы роста составили 47%. По прогнозам Bloomberg NEF, к 2040 году суммарная мощность накопителей превысит 1 ТВт, и одной из причин повышения интереса к СНЭ стал стремительный рост доли возобновляемых источников энергии.

Анализ рынка аккумулирующих систем электроэнергии в Украине указывает на отсутствие в этой отрасли серьезного технического прогресса. Известна и достаточно распространена система аккумуляции электроэнергии на основе химических источников энергии с использованием наиболее распространенных на сегодняшний день литий-ионных аккумуляторов. Например, ДТЭК запустила первую в Украине промышленную литий-ионную систему накопления энергии мощностью 1 МВт и емкостью 2,25 МВт·ч. Батарея была установлена в городе Энергодар на площадке Запорожской ТЭС. К сожалению, сейчас неизвестно, в каком состоянии прибор, предназначенный для накопления, хранения и отдачи электроэнергии в сеть, а также для предоставления услуг по обеспечению надежности энергосистемы Украины. Но использование таких систем, особенно в мощных системах аккумуляции, ограничено емкостью — 100–150 Вт на килограмм веса аккумулятора. При этом стоимость хранения даже такого незначительного количества электроэнергии будет стоить более 700 долл. США (цена лития). Указанное в значительной степени делает невозможным использование аккумуляторов на основе химических источников энергии в таких мощных системах, как производство электроэнергии с использованием возобновляемых источников.

Впрочем, существуют и прорывные технологии, внедрение которых в Украине позволит эффективно решить неотложные проблемы децентрализации генерации электроэнергии. Прежде всего речь идет о системах хранения электрической энергии на основе криогенных технологий.

Внедрение этих систем хранения является одним из реальных способов балансирования, генерации и потребления энергии от возобновляемых источников. В первую очередь потому, что хранение энергии в криогенных накопителях сегодня самое дешевое. Так, хранение 1 МВт·ч в криогенных накопителях стоит 3720 грн. Для сравнения, хранение 1 МВт·ч в литий-ионном аккумуляторе обходится в 9565 грн, что в 2,5 раза дороже. Да и капитальные затраты на строительство электростанций на жидком воздухе, по оценкам экспертов, составят около 1000 евро/кВт, что намного меньше, чем для энергоустановок с водородным аккумулированием.

Сегодня наблюдается стремительное развитие технологий аккумулирования электрической энергии с использованием криогенных жидкостей — жидких воздуха и азота. Учитывая, что сухой газообразный воздух содержит примерно 78% азота, 21% кислорода и 1% аргона, эти технологии идентичны.

Первой коммерческой установкой с технологией хранения электрической энергии на основе криогенных технологий, а именно на жидком воздухе, является система аккумуляции мощностью 280 МВт, установленная в 1978 году на электростанции Hunfortr (Германия). Она до сих пор остается мощнейшей в системе CAES (Compressed Air Energy Storage). Существуют планы строительства установок системы CAES и значительно большей мощности, крупнейший проект — 2700 МВт (электростанция Norton, США).

Компания Highview Power, мировой лидер в поиске решений для продолжительного хранения энергии, разработала модульную систему хранения криогенной энергии на основе CRYO Battery, которая масштабируется до нескольких гигаватт и может быть размещена в любом месте. Эта технология является новым эталоном для стандартизированной стоимости хранения в размере 140 долл. 1/МВт/ч для 10-часовой системы мощностью 200 МВт/2 ГВт·ч.

В 2020 году Highview Power заказал у немецкого производителя MAN Energy Solutions поставку турбинного оборудования LAES для своей аккумуляторной системы хранения энергии — комплекса CRYO Battery мощностью 50 МВт и емкостью 250 МВт·ч, строящегося в Каррингтон-Виллидж (Б. Манчестер, Великобритания). MAN и Highview Power будут совместно участвовать в крупнейшем проекте по аккумулированию энергии жидкого воздуха. Когда комплекс CRYO Battery будет запущен, он сможет обеспечивать энергией 50 тыс. домов на протяжении пяти часов.

Так почему бы Украине не присмотреться внимательнее к технологии криогенного продолжительного аккумулирования электроэнергии, основанной на жидком воздухе. Технология вполне понятна и может быть реализована, в частности, в регионах, где с генерацией ВИЭ все сложилось, а вот с аккумуляцией — не очень.

Для использования газообразного воздуха с целью аккумуляции он должен быть сжижен. Следующим этапом технологической цепочки аккумулирования является хранение жидкого воздуха и его испарение. Многие производители криогенного оборудования соединили эти процессы в одном оборудовании. При сжижении азота у него забирается до 380 кДж/кг, или 0,097 кВт·ч/кг энергии, которую можно вернуть при переводе азота в исходное газообразное состояние. В тот момент, когда возникает необходимость в дополнительной электроэнергии, жидкий азот подается в испаритель, где из жидкого состояния переходит в газообразное, расширяясь в 700 раз.

Установление таких криогенных аккумуляционных мощностей вполне целесообразно, например, на солнечных станциях, расположенных на юге Одесской области. Суммарная мощность всех СЭС в Одесской области составляет 240 МВт. На юге области установлены также четыре ветровых электростанции суммарной установленной мощностью 341 МВт. Такое расположение солнечных и ветровых электростанций позволяет рассматривать проект создания локальной распределенной сети для юга Одесчины с условным названием «БЕССАРАБИЯ». Эта сеть охватит объекты, расположенные в Белгород-Днестровском, Беляевском, Саратском, Арцызском, Ренийском, Измаильском, Килийском районах. Тем более что за счет установки аккумуляторных систем можно получить до 90 МВт дополнительной генерации.