Децентралізація генерації. Як забезпечити стійкість енергосистеми Півдня

Ризик нестабільного функціонування енергетичної системи України залишається високим до часів нашої перемоги. Зазначене враховано в Енергетичній стратегії України до 2050 року, затвердженій розпорядженням Кабміну від 21 квітня 2023 року, де до числа важливих чинників подолання наслідків російсько-української війни віднесено децентралізацію генерації електроенергії по всій території країни для покращення стійкості та надійності енергозабезпечення.

Порушене питання також значною мірою пов’язане з розвитком вітчизняної зеленої енергетики. В ході експертної дискусії «Зелена енергетика для відновлення повоєнної України» в Брюсселі міністр енергетики Герман Галущенко заявив, що у повоєнному відновленні України зелена трансформація має перебувати у центрі уваги. «Наша мета — побудувати 7,1 ГВт нових потужностей відновлюваних джерел енергії, переходячи на ринкові моделі стимулювання зеленої енергетики, зокрема на зелені аукціони. Ми також плануємо на першому етапі встановити 750 МВт акумуляційних потужностей, що підвищить стабільність енергетичної системи», — пояснив він. Зауважимо, що саме встановлення акумуляційних потужностей є основним чинником реалізації напрямку децентралізації генерації електроенергії.

Щодо використання ВДЕ слід зауважити значні потенціальні можливості України в розвитку таких її складових, як вітрова та сонячна енергетика. Згідно з Атласом енергетичного потенціалу відновлюваних джерел енергії України (Київ, 2020, Інститут відновлюваної енергетики НАН України) річний виробіток електроенергії вітру може становити майже 2200 млрд кВт·год, що більш як удесятеро перевищує сучасне річне споживання електроенергії в Україні. Для сонячних електростанцій теоретична встановлена потужність становить 82 768 МВт, а річний потенціал виробітку електричної енергії СЕС в Україні — близько 100 млрд кВт·год.

Крім цього, розвиток систем зберігання енергії є світовим інноваційним трендом. За оцінками Міжнародного агентства з відновлюваних джерел енергії (IRENA), до 2030-го загальна потужність акумуляторів на ринках Північної Америки, Європи і Південно-Східної Азії зросте до 250 ГВт, при тому що 2014 року вона становила лише 0,8 ГВт. У НЕК «Укренерго» розраховують, що національній енергосистемі до 2025 року буде потрібно додатково 2,5 ГВт потужності для балансування енергії вітру і сонця.

Системи накопичення електроенергії (СНЕ) є одним із швидкозростаючих секторів енергетики. За десять років цей сектор збільшився у 48 разів, середньорічні темпи зростання становили 47%. За прогнозами Bloomberg NEF, до 2040 року сумарна потужність накопичувачів перевищить 1 ТВт, і однією з причин підвищення інтересу до СНЕ стало стрімке зростання частки відновлюваних джерел енергії.

Аналіз ринку акумулюючих систем електроенергії в Україні вказує на відсутність у цій галузі великого технічного прогресу. Є відомою і досить поширеною система акумуляції електроенергії на основі хімічних джерел енергії з використанням найбільш розповсюджених на сьогодні літій-іонних акумуляторів. Наприклад, ДТЕК запустила першу в Україні промислову літій-іонну систему накопичення енергії потужністю 1 МВт та ємністю 2,25 МВт·год. Батарею було встановлено у місті Енергодар на майданчику Запорізької ТЕС. На жаль, наразі невідомо, в якому стані прилад, призначений для накопичення, зберігання та віддачі електроенергії в мережу, а також для надання послуг із забезпечення надійності енергосистеми України. Проте використання таких систем, особливо у потужних системах акумуляції, обмежене ємністю — 100–150 Вт на кілограм ваги акумулятора. При цьому вартість зберігання навіть такої незначної кількості електроенергії коштуватиме понад 700 дол. США (ціна літію). Вказане значною мірою унеможливлює використання акумуляторів на основі хімічних джерел енергії в таких потужних системах, як виробництво електроенергії з використанням відновлюваних джерел.

Втім, існують і проривні технології, впровадження яких в Україні дасть можливість ефективно розв’язати нагальні проблеми децентралізації генерації електроенергії. Насамперед мова про системи зберігання електричної енергії на основі кріогенних технологій.

Впровадження цих систем зберігання є одним із реальних способів балансування, генерації та споживання енергії від відновлюваних джерел. Передусім тому, що зберігання енергії в кріогенних накопичувачах сьогодні є найдешевшим. Так, зберігання 1 МВт·год у кріогенних накопичувачах коштує 3720 грн. Для порівняння, зберігання 1 МВт·год у літій-іонному акумуляторі обходиться у 9565 грн, що у 2,5 разу дорожче. Та й капітальні витрати на будівництво електростанцій на рідкому повітрі, за оцінками експертів, становитимуть близько 1000 євро/кВт, що набагато менше, ніж для енергоустановок із водневим акумулюванням.

Нині спостерігається стрімкий розвиток технологій акумулювання електричної енергії з використанням кріогенних рідин — рідкого повітря та рідкого азоту. Враховуючи, що сухе газоподібне повітря містить приблизно 78% азоту, 21% кисню та 1% аргону, ці технології ідентичні.

Першою комерційною установкою з технологією зберігання електричної енергії на основі кріогенних технологій, а саме на рідкому повітрі, є система акумуляції потужністю 280 МВт, встановлена 1978 року на електростанції Hunfortr (Німеччина). Вона досі залишається найпотужнішою в системі CAES (Compressed Air Energy Storage). Існують плани будівництва установок системи CAES і значно більшої потужності, найбільший проект — 2700 МВт (електростанція Norton, США).

Компанія Highview Power, світовий лідер у пошуку рішень для тривалого зберігання енергії, розробила модульну систему зберігання кріогенної енергії на основі CRYO Battery, яка масштабується до кількох гігаватів і може бути розміщена в будь-якому місці. Ця технологія є новим еталоном для стандартизованої вартості зберігання у розмірі 140 дол. 1/МВт/год для 10-годинної системи потужністю 200 МВт/2 ГВт·год.

У 2020 році Highview Power замовив у німецького виробника MAN Energy Solutions постачання турбінного обладнання LAES для своєї акумуляторної системи зберігання енергії — комплексу CRYO Battery потужністю 50 МВт і ємністю 250 МВт·год, що будується в Каррінгтон-Віллідж (Б. Манчестер, Велика Британія). MAN і Highview Power будуть спільно брати участь у найбільшому проєкті з акумулювання енергії рідкого повітря. Коли комплекс CRYO Battery буде запущений, він зможе забезпечувати енергією 50 тис. будинків протягом п'яти годин.

То чому ж Україні не придивитися уважніше до технології кріогенного тривалого акумулювання електроенергії, заснованій на рідкому повітрі. Технологія цілком зрозуміла та може бути реалізована, зокрема, в регіонах, де з генерацією ВДЕ все склалося, а от з акумуляцією — не дуже.

Для використання газоподібного повітря з метою акумуляції воно має бути скраплене. Наступним етапом технологічного ланцюжка акумулювання є зберігання рідкого повітря та його випаровування. Багато виробників кріогенного обладнання поєднали ці процеси в одному обладнанні. При зрідженні азоту у нього забирається до 380 кДж/кг, або 0,097 кВт·год/кг енергії, яку можна повернути при переведенні азоту у вихідний газоподібний стан. У той момент, коли виникає необхідність у додатковій електроенергії, рідкий азот подається у випарник, де з рідкого стану переходить у газоподібний, розширюючись у 700 разів.

Встановлення таких кріогенних акумуляційних потужностей цілком доцільне, наприклад, на сонячних станціях, розташованих на півдні Одеської області. Сумарна потужність усіх СЕС в Одеській області становить 240 МВт. На півдні області встановлено також чотири вітрові електростанції сумарною встановленою потужністю 341 МВт. Таке розташування сонячних і вітрових електростанцій дає можливість розглядати проєкт створення локальної розподіленої мережі для півдня Одещини з умовною назвою «БЕСАРАБІЯ». Ця мережа охоплюватиме об'єкти, розташовані в Білгород-Дністровському, Біляївському, Саратському, Арцизькому, Ренійському, Ізмаїльському, Кілійському районах. Тим паче що за рахунок встановлення акумуляторних систем можна отримати до 90 МВт додаткової генерації.