Інновації
Energy
Storage System
by KNESS –

досягаючи балансу
на енергоринку

Мета – створити умови для досягнення країною 100% renewable. На цьому шляху є низка перешкод. Одна з них – «зелено-вугільний парадокс». Що це? Ми розбудовуємо «зелену» генерацію, щоб знизити викиди CO2. Проте генерація ВДЕ є залежною від природних умов, і графіки виробітку електроенергії не збігаються з графіками її споживання. Отже, потрібні балансуючі потужності, що забезпечуються ТЕС та ГЕС. Обсяг ГЕС є обмеженим, зі зростанням частки ВДЕ – зростає й нерівномірність добового балансу генерації. Збільшуються обсяги регулюючих потужностей ТЕС, що витісняє з енергетичного балансу атомні станції, які не викидають CO2. Відтак, настає ситуація, за якої разом зі зростанням ВДЕ збільшується й обсяг викидів CO2, у чому, власне, і полягає зелено-вугільний парадокс.

Як уникнути цього парадокса? Для балансування системи треба використовувати акумулюючі потужності або маневрену генерацію. Маневрена генерація – це, наприклад, газопоршневі станції. Вони – як двигун в автомобілі: їх можна вмикати-вимикати, скільки потрібно. Проте й тут є кілька «але». По-перше, ці станції працюють на газі, а він дорожчий за вугілля і так само дає викиди CO2. По-друге, коли сонячні станції разом з базовою генерацією (такою, що не можна розвантажити) генерують енергії більше, ніж споживається, маневрена генерація нічим не допоможе. Залишається лише переносити надлишок енергії в часі за допомогою накопичувачів енергії. Чи є така можливість в Україні?

Короткострокове балансування – регулювання частоти та потужності
Про види та нюанси балансування
на енергоринку розповідає
Євген Дідіченко
директор з розвитку бізнесу KNESS Group
Нормальна швидкість реагування людини-диспетчера – 15 хвилин: це час на прийняття рішення, передачу, отримання та виконання команди. 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), 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.
Володимир Голодюк, керівник відділу
силової електроніки
KNESS RnD Center
«Це – батарейний кластер, розроблений в Україні. Він є результатом роботи лабораторії силової електроніки KNESS RnD Center, яка тривала близько року. Власне, Energy Storage System складається з таких батарейних кластерів та двонаправленого перетворювача. Всередині батарейного кластера – три типи пристроїв: модулі для накопичення електроенергії, модуль управління кластером, а також модуль додаткової резервної батареї. Усі інтелектуальні системи цих модулів є розробкою інженерів KNESS. Вони виконують функції балансування заряду комірок всередині модулів, моніторингу та управління всіма процесами, що відбуваються в межах кластера.

Встановлення комплексів ESS дозволить підвищити загальну надійність енергосистеми шляхом запровадження додаткових маневрених потужностей. Наразі триває етап лабораторних випробувань розробки. Уже в першому півріччі 2021 року ми плануємо її імплементувати в систему енерджи сторедж ESS від KNESS».
Власник акумуляторної батареї може брати участь на ринку допоміжних послуг під автоматичним регулятором, і тоді нею буде керувати автоматика оператора системи передачі. Або ж такий власник може виходити на балансуючий ринок, подавати заявки на завантаження та розвантаження.

Окрім цього, таку систему акумулювання можна застосовувати не лише для швидкого реагування, але й для перенесення невеликих обсягів енергії в часі.

Добове балансування
Найбільшу частку в балансі генерації в Україні наразі становлять атомні електростанції – понад 50%, але їхню потужність не можна змінювати протягом доби. Таким же некерованим джерелом є й ТЕЦ. Кількість електроенергії, що вони виробляють, залежить від графіка виробництва тепла, оскільки електроенергія для них є другорядним продуктом.

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

Гідроелектростанція – найбільш маневрена, адже її можна вмикати-вимикати протягом доби стільки, скільки потрібно: вона швидко набирає та скидає потужність. Потужності гідроелектростанцій можна було б використовувати вільно й закривати всі потреби в балансуванні, але, на жаль, в Україні цих станцій замало. Тому можемо за допомогою ГЕС регулювати хіба що піки споживання, коли не вистачає іншої генерації.

З тепловими електростанціями також усе непросто. Запуск теплових блоків – складний та ресурсозатратний процес. Їх не можна вмикати й вимикати щоденно. Так роблять лише в безвихідних ситуаціях, але це суттєво впливає на зношення обладнання та є економічно недоцільним. Розповсюджений в Україні енергоблок ТЕС потужністю 300 МВт працює в 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, завдання балансування не завжди має рішення, оскільки блоки ТЕС, поставлені в пікові години, не завжди можуть поміститися зі своєю мінімальною потужністю в енергобалансі в години мінімального споживання. Зростання потужності сонячних станцій ще більше ускладнює проблему. При значному зростанні потужності сонця вдень споживання для інших станцій залишається ще меншим, ніж уночі, тож нерівномірність добового графіка збільшується, і необхідна регулююча потужність також збільшується. Мусимо вмикати більше теплових блоків і вимикати атомні.

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

Виникає нагальна потреба в технологіях переносу енергії в часі протягом доби. З цим відмінно справляються акумулятори. Щоправда, з акумуляторами на базі літієвих комірок це поки що є економічно невиправданим. У поточній ситуації (ринок без ринкових умов) мінімальна та максимальна ціна енергії є зафіксованою, тому в разі виникнення дефіциту не виникає охочих цей дефіцит закрити – адже ціна обмежена. І навпаки: коли є надлишок, ніби й можна дешевше продати, але умови не дозволяють. Виникає парадокс. Коли ринок запрацює по-справжньому, із суттєвою різницею ціни в періоди профіциту та дефіциту генерації, власникові 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 електроліту, що через нього протікає. В акумулятор 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 маневреною генерацією. Наразі розроблений у KNESS RnD Center проточний акумулятор уже пройшов етап лабораторних досліджень. У майбутньому проточні акумулятори можуть виконувати роль і тижневого регулювання.

Річне балансування
Узимку споживання енергії є більшим, ніж улітку. Хоча й вітрові електростанції взимку генерують більше, ніж улітку, але їх не так багато. Ситуація із сонячними електростанціями протилежна. Виникає задача: як переносити енергію протягом року? Тут слід рухатися у бік водневих технологій. Чому? Тому що сам по собі водень як хімічне джерело нічого не коштує, адже 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 – умовно безкоштовне. Тому це основний напрямок для сезонного акумулювання, у якому KNESS теж працює, і до ринкової технології вже недалеко.
За крок до впровадження
Світ орієнтований на ринкові відносини. На ринку можуть надаватися будь-які послуги, у тому числі – балансування електроенергії. Коли говорять про допоміжні послуги, це, як правило, означає швидкі процеси та автоматизацію. У межах години працює балансуючий ринок, що 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 потребою.

Між годинами впродовж 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.

Завдяки акумуляторам LFP можна надавати допоміжні послуги, послуги балансування або торгувати електроенергією в межах доби. Чи, наприклад, можна створити проточний накопичувач, що міг би тиждень накопичувати енергію, чергуючись у роботі з тепловою станцією: тиждень працюють теплові станції, акумулятор накопичує, а в наступний тиждень відключається ТЕС і енергія береться з акумулятора.

В Україні вже є ціла низка компаній, зацікавлених у використанні Battery Energy Storage System. Є бажання створювати та надавати послугу балансування відразу, щойно з'явиться законодавчо підтверджена можливість.

Поки законодавством не визначений такий окремий учасник ринку, як накопичувач. За наявних 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, а потім за спожиту електроенергію споживачем. Сплата цих тарифів за нинішніх цін на балансуючому ринку 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, що увійшла й вийшла, не повинна оплачуватися. Оплачуватись як споживання мають тільки втрати електроенергії в акумуляторі. Повинна залишатися концепція, згідно з якою за розподіл і передачу платить тільки кінцевий споживач.

Але сфера застосування акумуляторів не обмежується балансуванням ринку. Вони можуть використовуватись як первинний регулятор у мікрогріді – мережі, що працює окремо від загальної. А також як джерело безперебійного живлення в разі аварійного відключення споживача від мережі.

KNESS Group з великим оптимізмом дивиться в майбутнє розвитку відновлювальної енергетики й активно займається розробкою законодавчих та регуляторних рішень для створення можливості ефективного впровадження систем накопичення енергії в ринок електричної енергії України.