Баланс на ринку електроенергії –
рішення є
Основна наша мета – створити умови для досягнення 100% renewable. На цьому шляху потрібно подолати багато перешкод. Одна з них – "зелено-вугільний парадокс", який полягає в наступному. Ми розбудовуємо "зелену" генерацію для того, щоб знизити викиди СО2. Проте, в силу залежності генерування відновлювальних джерел енергії (далі – ВДЕ) від природних умов, електроенергія, що виробляється, не співпадає в часі зі споживанням енергосистеми, таким чином є необхідність задіяння балансуючих потужностей. Балансування добового графіку забезпечується тепловими (далі – ТЕС) та гідроелектростанціями (далі - ГЕС). Обсяг ГЕС обмежений, а зі зростанням частки ВДЕ – зростає нерівномірність добового балансу генерації. Отже, необхідні обсяги регулюючих потужностей ТЕС також зростають, і це витісняє з енергетичного балансу атомні станції, які не викидають СО2. А відтак складається ситуація, при якій з ростом ВДЕ, збільшується обсяг викидів СО2, в чому і полягає парадокс.

Щоб збалансувати систему необхідно використовувати акумулюючі потужності або маневрену генерацію. Маневрена – це, наприклад, газопоршневі станції. Вони як двигун в автомобілі – їх можна вмикати-вимикати скільки потрібно. Проте є кілька "але". По-перше, вони працюють на газі, що дорожчий за вугілля і дає викиди СО2. По-друге, коли, сонячні станції разом з базовою генерацією (такою, що не можна розвантажити) генерують енергії більше, ніж споживається – маневрена генерація ничім не допоможе. Залишається лише переносити надлишок енергії у часі за допомогою акумуляторів. Чи є така можливість в Україні?

Про це SunTimes розповів директор з розвитку бізнесу KNESS Group Євген Дідіченко.

Інтро проблеми балансування
Будь-яка електроенергетична система потребує постійного балансування між споживанням та генерацією.

Є традиційні об'єкти генерації: атомні, гідро та теплові станції. Енергія тут закумулювана у паливі (у випадку ГЕС – у потенційній енергії води), відповідно, керування ними спрямоване на те, щоб згенерувати у кожний момент часу стільки енергії, скільки на даний момент споживається. Це достатньо просто: станції великі, їх небагато, певний штат диспетчерів керує ними у режимі "завантажити-розвантажити" відповідно до очікуваного графіка споживання енергії. У разі змін у споживанні диспетчери регулюють генерацію.

З генерацією від сонця та вітру все інакше. Виробництво енергії від цих джерел прогнозується, але вплинути на обсяг згенерованої енергії можливо лише через обмеження роботи станції. Отже традиційні способи балансування тут не працюють. Відповідно, залишається або обмежувати споживача, щоб він підлаштовувався під графік генерації, або акумулювати надлишкову, непотрібну споживачеві у цей час енергію, щоб використати її у разі збільшення споживання чи зменшення генерації.

Але балансувати виробництво та споживання енергії потрібно в різних часових горизонтах: у межах години, доби, тижня та року.

Короткострокове балансування - регулювання частоти та потужності
Нормальна швидкість реагування людини-диспетчера – 15 хвилин: це час на прийняття рішення, передачу команди, отримання та виконання команди. Тому важливо, щоб процеси, виконання яких має займати менше 15 хвилин, були автоматизовані. Найшвидше – первинне та вторинне регулювання частоти, коли в систему не втручається людина. Автоматизоване управління постійно підтримує потужність і частоту в системі. Зазвичай для автоматичного регулювання частоти та потужності використовуються окремі гідроелектростанції, адже вони можуть дуже швидко підняти або знизити потрібну потужність.

Коли диспетчер бачить, що резерви автоматичного регулювання зменшуються – їх треба оперативно оновити. Це вже третинне регулювання, воно наразі відбувається на балансуючому ринку, але це теж більш-менш швидкі процеси з 15-хвилинним кроком на кожну годину.


Ефективним рішенням для всіх рівнів автоматичного регулювання частоти та потужності є система накопичення енергії – battery energy storage system реалізована на технології LFP (LiFePO4), що здатна за короткий проміжок часу накопичити або видати в мережу значний обсяг електроенергії. Альфа-версія такої акумулюючої станції українського виробництва вже розроблена та тестується науково-дослідним центром KNESS.

Батарейний модуль розроблений KNESS RnD Center - набір послідовно з'єднаних акумуляторних комірок. Містить власну інтелектуальну систему балансування заряду та моніторингу параметрів комірок.
Власник акумуляторної батареї може брати участь на ринку допоміжних послуг під автоматичним регулятором і тоді нею буде керувати автоматика оператора системи передачі, або ж він може виходити на балансуючий ринок, подавати заявки на завантаження та розвантаження.

Окрім цього дану систему акумулювання можна застосовувати не лише для швидкого реагування, але і для перенесення невеликих обсягів енергії в часі.
Добове балансування
Найбільшу частку в балансі генерації в Україні займають атомні електростанції — більше 50%, але їх потужність не можна змінювати протягом доби. Таким же некерованим джерелом є і теплоелектроцентралі. Кількість електроенергії, яку вони виробляють залежить від графіку виробництва тепла, оскільки електроенергія для них є другорядним продуктом.

Отже, залишається лише 2 джерела регулюючої потужності — ТЕС і ГЕС.

Гідроелектростанція – найбільш маневрена, бо її можна вмикати-вимикати протягом доби стільки, скільки потрібно: вона швидко набирає та скидає потужність. Потужності гідроелектростанцій можна було б використовувати вільно і закривати всі потреби в балансуванні, але, на жаль, їх мало. Тому ми можемо за допомогою ГЕС регулювати лише піки споживання, коли не вистачає іншої генерації.

З тепловими електростанціями також все непросто. Запуск теплового блоку – це складний та ресурсозатратний процес. Їх не можна вмикати і вимикати щоденно. Так роблять лише у безвихідних ситуаціях, але це суттєво впливає на зношення обладнання та є економічно недоцільним.

Розповсюджений в Україні енергоблок ТЕС потужністю 300 МВт працює у діапазоні від 170 МВт до 250-300 МВт (залежно від його технічного стану). Нижче 170 МВт він працювати не може, це його база.

Отже, мінімальний рівень споживання в добі закривається базою атомної та теплової генерації. При цьому мінімальний склад блоків ТЕС визначається їх максимальною потужністю в пікові години доби з урахуванням потужності ГЕС. Коли хочемо завантажити багато атомних станцій, задача балансування не завжди має рішення, оскільки блоки ТЕС поставлені в пікові години не завжди можуть поміститись зі своєю мінімальною потужністю в енергобалансі у години мінімального споживання. Зростання потужності сонячних станцій ще більше ускладнює проблему. При значному зростанні потужності сонця вдень, споживання для інших станцій залишається ще менше ніж вночі, отже нерівномірність добового графіку збільшується, і необхідна регулююча потужність також збільшується. Мусимо включати більше теплових блоків і відключати атомні.

В енергосистемі працюють також гідроакумулюючі станції. Їх принцип роботи оснований на тому, що в режимі зарядки вода закачується в верхнє водосховище, а в режимі генерації скидається в нижнє. Їх застосовують для добового балансування: в режимах профіциту генерації, вони працюють як споживач, а в режимі дефіциту генерації, як генератори. Це зручна система, але вимагає тривалого терміну спорудження та великих капітальних вкладень.

Виникає нагальна потреба у технологіях переносу енергії у часі протягом доби. З цим відмінно справляються акумулятори. Щоправда, з акумуляторами на базі літієвих комірок це поки що економічно невиправдано. У поточній ситуації (ринок без ринкових умов) мінімальна та максимальна ціна енергії зафіксована, тому при виникненні дефіциту не виникає бажаючих цей дефіцит закрити – бо ціна обмежена. І навпаки, коли є надлишок, ніби і можна дешевше продати, але умови не дозволяють. Виникає парадокс. Коли ринок запрацює по-справжньому, з суттєвою різницею ціни в періоди профіциту та дефіциту генерації, – власнику акумулюючих потужностей стане вигідно надавати свої послуги.

Для добового балансування ідеально підходить проточний акумулятор. Це електрохімічний перетворювач, який має певну потужність. Скільки годин він працює визначається кількістю електроліта, який через нього протікає. В нього заходить електроліт однієї хімічної форми, а витікає - іншої. Коли відбувається це перетворення – він генерує струм, і навпаки, коли той самий електроліт протікає в іншому напрямку – струм споживається. Ємність таких акумуляторів обмежена тільки розмірами баків з електролітом. Ця технологія може конкурувати з маневровою генерацією. Наразі розроблений в KNESS RnD Center проточний акумулятор вже пройшов етап лабораторних досліджень - технологія працює.

В майбутньому проточні акумулятори можуть виконувати роль і тижневого регулювання.
Річне балансування
Взимку споживання енергії більше ніж літом. Хоча й вітрові електростанції взимку генерують більше ніж влітку, але їх не так багато. Ситуація з сонячними електростанціями протилежна. Виникає задача: як переносити енергію протягом року? Тут слід рухатися в водневі технології. Чому? Бо сам по собі водень як хімічне джерело нічого не коштує, тому що він отримується з води — найбільш поширеного ресурсу на планеті. Коштує грошей сам процес перетворення води на водень і те, у чому водень зберігається, а от саме джерело водню — "безкоштовне". Тому це основний напрямок для сезонного акумулювання, в цьому напрямку KNESS теж працює, і до ринкової технології вже недалеко.
За крок до втілення
Світ орієнтований на ринкові відносини. На ринку можуть надаватися будь-які послуги, в тому числі – балансування електроенергії. Коли говорять про допоміжні послуги — це як правило, означає швидкі процеси та автоматизацію. У межах години працює балансуючий ринок, який управляється командами диспетчера. Заздалегідь постачальником послуг балансування диспетчеру заявляється ціна завантаження або розвантаження, за якою він готовий продавати або купувати балансуючу електроенергію. Отже, диспетчер відбирає таких учасників балансуючого ринку за ранжиром за потребою.

Між годинами протягом доби можна продавати або купувати електричну енергію на внутрішньодобовому ринку, де можна коригувати ціну за декілька годин, або на ринку на добу наперед. Також на ринку двосторонніх договорів можна формувати циклічну купівлю-продаж на більш тривалі періоди часу.

З допомогою акумуляторів LFP можна надавати допоміжні послуги, надавати послуги балансування, або торгувати електроенергією в межах доби. Чи, наприклад, можна створити проточний накопичувач, який міг би тиждень накопичувати енергію, чергуючись у роботі із тепловою станцією: тиждень працюють теплові станції, коли акумулятор накопичує, а в інший тиждень відключається ТЕС і генерація йде з акумулятора.
В Україні вже є ціла низка компаній зацікавлених у використанні Battery Energy Storage System. Є бажання створювати та надавати послугу балансування, відразу, як тільки з'явиться законодавчо обґрунтована можливість.

Поки законодавством не визначений такий окремий учасник ринку, як накопичувач. За існуючих правил енергоринку накопичувач стає збитковим, оскільки заряджаючись він формально вважається споживачем. А кінцевий споживач має заплатити за кінцевий розподіл та передачу електроенергії, тобто виходить подвійна оплата за закумульовану електроенергію накопичувачем, а потім за спожиту електроенергію споживачем. Але сплата цих тарифів при існуючих цінах на балансуючому та ринку допоміжних послуг нівелює економічний ефект роботи акумулятора.

За логікою акумулюючі станції не є споживачами, вони є буфером, який накопичує, щоб віддати. Це має бути офіційно врегульовано. Та частина електроенергії, яка увійшла і вийшла – не повинна оплачуватися. Оплачуватись як споживання мають тільки втрати електроенергії в акумуляторі. Повинна залишатись концепція, згідно якої за розподіл і передачу платить тільки кінцевий споживач.

Але сфера застосування акумуляторів не обмежується балансуванням в ринку. Він може використовуватися, як первинний регулятор в мікрогріді – мережі, яка працює окремо від загальної мережі. А також, як джерело безперебійного живлення в разі аварійного відключення споживача від мережі.

На сьогоднішній день, НЕСС Груп з великим оптимізмом дивиться в майбутнє розвитку відновлювальної енергетики та активно займається розробкою законодавчих та регуляторних рішень, для створення можливості ефективного впровадження систем накопичення енергії в ринок електричної енергії України.