Главная > Новини > Розвиток ринку та технологій стаціонарних систем зберігання електроенергії (BESS)

Розвиток ринку та технологій стаціонарних систем зберігання електроенергії (BESS)

Бізнес-моделі і технології, що лежать в основі розвитку ринку стаціонарних накопичувачів енергії, швидко розвиваються. Д-р Кай-Філіп Кайрис, Ян Фіггенер і Девід Хабершуш розглядають деякі з ключових тенденцій рушійних галузь вперед.

Міжнародний ринок стаціонарних систем зберігання електроенергії (BESS) швидко розвивається. Менш ніж за десятиліття BЕSS з підключенням до мереж еволюціонувало від вузькоспеціалізованого продукту до продукту масового ринку, в якому сьогодні міжнародна енергетика і автомобільні компанії змагаються за свою частку ринку. Відповідно до недавнього дослідження Bloomberg NEF, майже 4 ГВт нових систем зберігання акумуляторних батарей були введені в експлуатацію в 2018 році по всьому світу, і дослідники ринку очікують, що до 2020 року ця цифра подвоїться.

Відповідно, Міжнародне агентство з відновлюваних джерел енергії (International Renewable Energy Agency, IRENA) прогнозує, що сумарна ємність сховища до 420 ГВт / год буде буде досягнута до 2030 року (див. Рис. 1).

Системи зберігання енергії, підключені до мереж, сьогодні використовуються для безлічі завдань, починаючи від невеликих, таких як системи зберігання в житлових будинках, і закінчуючи акумуляторами потужністю в кілька мегават, які забезпечують  балансування і зменшують проблеми пов’язані з перевантаженням мережі.

У цій статті ми розповімо про три основних сегментах ринку стаціонарних систем зберігання в Європі – приватних будинках, комерційних об’єктах і системах зберігання електроенергії для надання послуг з балансування.

  Домашні системи зберігання. За останні п’ять років все більше і більше домогосподарств перейшли на системи зберігання електроенергії в поєднанні з сонячними панелями. Ці так звані домашні системи зберігання (HSS, Home Storage Systems) накопичують надлишок сонячної енергії днем ​​і роблять її доступною для власного споживання ввечері і вночі. Вони дають подвійну вигоду оператору HSS і розподільної мережі: з одного боку, оператор HSS зменшує кількість купується з мережі електроенергії, тим самим зменшуючи свої рахунки за електрику. З іншого боку, HSS може стабілізувати електромережі з великою кількістю поновлюваних джерел енергії.

За рахунок зберігання електричної енергії в періоди пікового вироблення і можливості балансування енергосистеми знижується ймовірність виходу енергосистеми з ладу. Кілька досліджень показали, що використання HSS може надійно обмежити максимальну подачу електроенергії від сонячних станцій до 40% від їх номінальної потужності без обмеження зайвої кількості відновлюваної енергії.

Це означає, що BESS може збільшити максимальну генрацію сес в енергосистеми в 2.5 рази без модернізації електроустаткування. У деяких випадках оператор BESS також може виграти від використання більш високих тарифів в нічний час і, таким чином, що приносять додатковий прибуток. Ринок HSS значно розширився в таких регіонах, як Каліфорнія, Австралія, Італія і Німеччина.

Японія також може стати новим, важливим ринком для BESS, оскільки фотоелектричні установки на дахах стають все більш популярними, в той час як тарифи на електроенергію порівняно високі. Німецький ринок HSS є унікальним, і дослідницька група Аахенского університету, одного з найбільших технічних університетів Європи, уважно стежила за його розвитком з самого початку. В рамках програми наукового моніторингу було зібрано даних з більш ніж 23 000 HSS, які дозволяють глибоко вивчити механіку цього ринку, що формується. Деякі з основних висновків цієї поточної оцінки наводяться нижче.

З 2017 року, кожна друга нова побутова сонячна станція в Німеччині супроводжується акумуляторною батареєю. У деяких федеральних землях це більше двох третин. В цілому сьогодні в Німеччині встановлено близько 150 000 HSS з розрахунковою потужністю близько 1 ГВт / год і номінальною потужністю 400 МВт (див. Рис. 2). Ці вражаючі темпи зростання також роблять HSS все більш актуальним для німецьких комунальних підприємств і мережевих операторів. Відповідно, велика кількість дослідницьких проектів присвячено вивченню даного питання. Одним з головних технічних нововведень стала можливість вибору типу акумулятора. У той час як в перші дні на ринку більше 6 з 10 HSS використовували традиційні свинцево-кислотні акумулятори в якості технології зберігання, літій-іонні батареї швидко завоювали свою частку ринку. З 2017 року на них припадає понад 99% всіх знову встановлених HSS .

Причини такого чудового успіху літій-іонних акумуляторів над свинцево-кислотними – найрізноманітніші: з технічної точки зору літій-іонні акумулятори не вимагають технічного обслуговування, обіцяють більш тривалий термін служби і відрізняються підвищеною ефективністю. Однак, з точки зору замовника, дві основні переваги, здається, переважують всі інші аспекти. По-перше, завдяки дуже високій щільності енергії, літій-іонні HSS набагато компактніше і можуть бути встановлені на стінах, що дозволяє більш ефективно використовувати простір і іноді сприймається візуально більш привабливо. Друга причина – ціноутворення. У період з 2013 по 2018 рік середня роздрібна ціна на HSS з літій-іонними батареями знизилася більш ніж на 50%, в той час як ціни на свинцево-кислотні батареї знизилися лише незначно. Різке падіння цін на літієво-іонні батареї не тільки збільшило їх частку на ринку, але і допомогло вивести прискорення в весь сегмент ринку HSS.

Цікаво, що в той час як ціни на систему за кВт/год з початку наукової оцінки були знижені вдвічі, середні витрати на систему HSS за весь період практично не змінилися і склали близько 10 000 євро (з урахуванням ПДВ). Причина цього криється в постійному збільшенні ємності батарей з 2014 року. Простіше кажучи, клієнти, здається, інвестували кожен євро, зекономлений завдяки більш дешевим батарей, у великі ємності для зберігання. Збільшення потужності літій-іонних батарей з приблизно 6 кВт/год у 2015 році до понад 8 кВт/год в 2018 році показано на малюнку 4. Причиною триваючого буму в сфері HSS, схоже, є їх економічна вигода. За рахунок підвищення самоокупності і, таким чином, зниження щомісячних рахунків за електрику, інвестиції в сонячну батарею повинні окупитися протягом декількох років. Однак, незважаючи на те, що HSS часто називають фінансово привабливою інвестицією, реальність є більш складною. При середніх інвестиційних витратах, що перевищують 1000 євро/кВт.ч, і типовому використанні менше 250 циклів в рік,

Терміни окупності HSS сьогодні для більшості домогосподарств становлять 20 років, що приблизно на третину перевищує очікуваний строк служби типових літій-іонних батарей. Навіть з урахуванням всіх державних фінансових стимулів більшість зводяться HSS сьогодні не можуть окупитися.

Так в чому справа? Щоб краще зрозуміти ринкові механізми, що стоять за бумом в сфері BESS, учасникам програми наукового моніторингу було задано кілька “так” – без питань про їх мотивації до купівлі (див. рис. 5). Понад 80% опитаних у Німеччині заявили, що основними причинами інвестицій в систему домашнього зберігання є захист від майбутнього зростання цін на електроенергію і бажання активно брати участь у перехід на поновлювані джерела енергії. Крім того, “загальний інтерес” до технології був основним аргументом на користь покупки для більш ніж 55% власників домашніх сховищ. Навпроти, лише 20-25% заявили, що вирішальне значення для їх придбання мала бажання зробити надійні фінансові інвестиції або забезпечити захист від перебоїв в електропостачанні. Ці дані свідчать про те, що на сьогоднішній день найбільша частка операторів систем HSS відноситься до категорії “новаторів” або “першопрохідців”. Ці групи населення, як правило, добре освічені, багаті і зацікавлені в нових технологіях, приділяють менше уваги рентабельності інвестицій і виявляють великий інтерес до деталей технології. Додатковим чинником швидкого зростання ринку УСЗ можна вважати млявість ринку фотоелектричних панелей за останні роки. Продавець сонячних станцій може подвоїти свої продажі, продаючи батарею разом з сонячними панелями, тому багато інсталятори пропонують, як додаткове обладнання – акумулятори, щоб компенсувати падіння замовлень на сонячні фотоелектричні панелі. Для багатьох зберігання стало необхідним для виживання на цьому надзвичайно регульованому ринку.

Системи зберігання енергії для комерційних об’єктів BESS.

У той час як HSS можна розглядати як типовий “емоційний” продукт, де рентабельність часто не є пріоритетом, лідерам бізнесу необхідно приймати економічно обґрунтовані рішення при інвестуванні в BESS. Однак різноманітність можливих застосувань та складність окремих бізнес-моделей ускладнюють загальне твердження про прибутковості BESS в комерційної та промислової середовищі. Для того щоб дати перше уявлення про потенціал та проблеми даного сегмента ринку, нижче коротко викладені два приклади.

Зменшення власного споживання за рахунок сонячної енергії. Комбінація з фотоелектричних панелей і акумуляторних батарей також є опцією для комерційних будівель з відповідною площею даху. В залежності від розмірів системи і індивідуального профілю навантаження до 50% споживаної електроенергії може бути забезпечено за рахунок децентралізованої чистої генерації. Однак повна самодостатність від мережі, як правило, неможлива з-за низьких значень інсоляції в осінні і зимові місяці. Крім того, термін окупності таких систем зазвичай значно перевищує очікуваний термін служби акумуляторних накопичувачів. Тим не менш, багато великі міжнародні корпорації інтенсивно працюють над цим варіантом використання в рамках своїх зусиль з розширення використання стійких джерел енергії і досягнення своїх цілей з саморегулювання в області скорочення викидів CO2. Крім того, великі сонячні батареї можуть також використовуватися як засоби для зменшення відключень електроенергії або зниження якості поставок (так звані “коричневі”). Особливо для виробничих підприємств навіть тимчасове падіння напруги в мережі може призвести до значних наступним витратам. На паперових фабриках, наприклад, коричневий перерва може призвести до кількаденних зупинок виробництва, так як після позапланового перерви машини потребують очищення. Порівняно з потенційним фінансовим збитком від такої події, інвестиції в систему зберігання акумуляторів часто є більш економічним варіантом.

Зниження пікових навантажень.

Завдяки надзвичайно швидкому часу відгуку і хорошої керованості BESS ідеально підходить для зниження пікових навантажень.

Виробництво. Такий варіант використання може бути особливо цікавий, якщо ціна на електроенергію компанії має значну енергетичну складову або якщо додаються нові навантаження, які не можуть бути покриті існуючим мережевим підключенням. Як приклад на рис. 7 показаний профіль навантаження невеликого обчислювального центру, розташованого в землі Північний Рейн-Вестфалія. Центр обробки даних підключений до трифазної мережі напругою 380 В і має річне пікове навантаження 122 кВт і річне споживання електроенергії 581 МВт / год. Згідно таблиць витрат оператора мережі, річна економія більше 1000 євро може бути досягнута за рахунок зниження пікового навантаження компанії на 12 кВт (синя лінія на рис. 7). Використовуючи моделювання різних систем зберігання енергії, можна показати, що літій-іонна батарея всього в 8-12 кВт / год буде достатньою для реалізації цієї економії, що дозволить амортизувати її протягом приблизно шести років. Оскільки батарея використовується всього лише кілька годин на рік, можна використовувати додаткові джерела доходу, наприклад, забезпечувати балансування енергії в мережі (так зване багаторазове використання або збір значень). Гнучко працюючи в різних бізнес-моделях, BSS може оптимізувати доходи і подальше скорочення термінів амортизації.

Система накопичення енергії для балансування.

Для стабільної роботи наших електромереж, виробництво та споживання електроенергії повинні бути у балансі в будь-який час. Однак цей баланс регулярно порушується: збої в роботі електростанцій і ліній електропередач або помилки у прогнозуванні виробництва електроенергії з поновлюваних джерел можуть призвести до раптового перевитрати або дефіциту електроенергії.

В даних випадках такі послуги щодо балансування енергосистеми, як контроль частоти або керування реактивною потужністю, необхідні, щоб стабілізувати частоту і напругу мережі в заданому діапазоні до тих пір, поки не буде відновлена коректна робота енергосистеми. Традиційно ці послуги виконуються великими генераторами енергії, такими як вугільні електростанції. Однак скорочення числа електростанцій, що працюють на викопному паливі в наших мережах, стимулює попит на нових постачальників. BESS є перспективними активами для надання послуг з балансування завдяки надзвичайно швидкому реагуванню, хорошої керованості і швидкому часу розгортання. Незважаючи на те, що BESS часто розглядаються як нове і перспективне застосування, вони не є чимось новим. У 1986 році в р. Steglitz (Німеччина) була змонтована установка свинцево-кислотних акумуляторів потужністю 17 МВт для постачання ізольованою (і, як відомо, нестабільної) електромережі Західного Берліна. Новим є масштаби і терміни реалізації таких проектів BESS. У 2017 році компанія “Тесла” всього за три місяці побудувала в Австралії літій-іонний сховище потужністю 100 МВт/130 МВт/год в контейнерному виконанні. Порівняно з довгими термінами проектування передавальних мереж, це відбувається дуже швидко. Найважливішими ринками збуту великогабаритних BESS в Європі сьогодні є Німеччина і Великобританія. У Німеччині понад 450 МВт великомасштабних BESS були введені в експлуатацію за останні п’ять років. Більшість з цих проектів мають потужність 5-15 МВт при тривалості зберігання близько 1,5 годин і працюють на ринку первинного регулювання . Первинна керуюча потужність – це найшвидша балансування в мережі UCTE та аналогічна (динамічної) жорсткої частотної характеристики у Великобританії. Разом з кількома іншими країнами Німеччина відповідає за постачання в мережу близько 750 МВт первинної керуючої електроенергії. Послуга виставляється на аукціон на щоденних торгах з приростом 1 МВт на енергетичній біржі (EEX) в Лейпцигу. Для участі в аукціоні учасники ринку повинні мати можливість збільшити номінальну потужність менше ніж за 30 секунд і підтримувати постійну вихідну потужність протягом 15 хвилин – вимоги, які легко виконуються сучасними літій-іонними батареями.

Тим не менш, BESS, можливо, занадто швидко досягла успіху. Вихід великої кількості ВЕЅЅ на ринок первинної регулюючої електроенергетики з 2013 року перевернула енергетичний сектор з ніг на голову і в кінцевому підсумку привів до погіршення їх власного бізнес-клімату. Стрімке зростання кількості нових учасників ринку наповнив ринок дешевими пропозиціями. У період з 2013 по 2017 рік кількість щотижневих заявок на постачання первинної регулюючої електроенергії зросла на 1400%. У той же час ціни були знижені вдвічі, що поступово зробило бізнес-кейс менш привабливим. У першому півріччі 2019 р. щотижневі об’ємно-зважені ціни впали до рекордно низького рівня в 1300 євро/МВт в тиждень. Оскільки інші потенційні джерела доходу для BESS з коротким часом розряду, такі як компенсація активної або реактивної потужності в мережу, ще не встановлені на ринку, багато нові проекти для цього сегмента ринку ВЕЅЅ були відкладені на полиці. Одним з основних перешкод на шляху розробки нових бізнес-кейсів для ВЕЅЅ з точки зору їх користі є жорстке державне регулювання . Сьогодні системи зберігання акумуляторних батарей вважаються споживачами електроенергії в режимі зарядки, а генератори – в режимі розрядки, що змушує їх платити деякі збори двічі. Хоча уряд обіцяв незабаром виправити цю ситуацію, багато правові та експлуатаційні питання залишаються відкритими.

Будучи острівною енергосистемою, енергетична система Великобританії має більш високий попит на послуги по балансуванню, ніж інші країни. У той час як Німеччина має хороші зв’язки зі своїми сусідами, маючи близько 40 ГВт транскордонних генеруючих потужностей при піковому попиті 80 ГВт, обмін енергоресурсами між Великобританією і її сусідами обмежений. У зв’язку з більш високою часткою поновлюваних джерел енергії необхідні нові гнучкі можливості для компенсації нестачі транспортувальних потужностей. Системний оператор Великобританії National Grid підрахував, що для досягнення поставлених Великобританією цілей щодо скорочення викидів вуглецю до 2026 року потрібно понад 6 ГВт зберігання електроенергії для підтримки мережевої інтеграції відновлюваних джерел енергії . Але і сьогодні стабільність системи вже може стати проблемою: з-за раптової зупинки газової електростанції і великого вітряного парку в Уельсі на початку серпня згасло світло майже 1 млн домогосподарств. Збільшення обсягів використання ВЕЅЅ може запобігти або, принаймні, пом’якшити наслідки таких явищ, скоротивши розрив в електропостачанні до тих пір, поки не будуть введені в експлуатацію нові генеруючі установки. Відповідно, у Великобританії вже в 2016 році була введена нова надшвидка послуга з балансування. Так звана Вдосконалена Частотна Реакція (EFR) вимагає від постачальників послуг нарощування номінальної потужності менш ніж за одну секунду, що є самим вимогливим умовою для послуги балансування у всьому світі. Національний мережевий оператор прийняв вісім тендерів на загальну потужність 201 МВт при гарантованих витратах 66 млн. фунтів стерлінгів за чотири роки, при цьому акумуляторні батареї виграли контракти. National Grid розраховує повернути економічну вигоду 244 млн. фунтів стерлінгів у вигляді запобігли витрат протягом терміну дії контрактів.

Крім надання послуг з балансування, різке падіння вартості літієвих батарей відкриває нові можливості для використання стаціонарних систем зберігання. Особливо цікавим сегментом розвитку ринку є ВЕЅЅ тривалістю видачі накопиченої енергії протягом чотирьох годин. Комбінації таких систем зберігання з поновлюваними джерелами енергії, особливо фотоелектричними, все частіше використовуються для заміни газових електростанцій для задоволення пікового попиту. Незабаром у Німеччині може бути оцінений ще один можливий варіант використання багато мегават акумуляторних сховищ. Всього за кілька років у Німеччині можуть бути встановлені масивні ВЕЅЅ номінальною потужністю до 500 МВт для підтримки передавальних мереж і забезпечення більш швидкого розширення поновлюваних джерел енергії при одночасному згортання виробництва вугілля та атомної енергії. Три з чотирьох німецьких операторів ЛЕП подали заявки в німецький мережевий регулятор на проведення випробувань так званих мережевих прискорювачів – акумуляторних батарей загальною потужністю 1,3 ГВт. Ці акумуляторні системи додають додатковий рівень безпеки до мереж електропередач і дозволяють більш ефективно використовувати існуючі лінії електропередач. Таким чином, в деяких випадках пропускна здатність може бути збільшена більш ніж на 30%. У разі виходу з ладу підстанції, наприклад, ВЕЅЅ може взяти на себе відповідальність до тих пір, поки оператор мережі не завершить повторне підключення. У той же час використання мережевих прискорювачів ставить перед мережевими операторами нові завдання, так як вимагає більш складної автоматизації мережі. У разі відмови одного з компонентів, численні операції по переподключению повинні бути скоординовані в найкоротші терміни.

Сьогодні стаціонарні БСС знаходяться на межі рентабельності у багатьох сегментах ринку і будуть відігравати вирішальну роль у забезпеченні наступного етапу міжнародного переходу до поновлюваних джерел енергії. Отримані сьогодні практичні знання про роботу систем акумуляторних батарей, підключених до мереж, також допоможуть нам впоратися із зростаючою кількістю електромобілів в наших мережах. Ми можемо поцікавитися, які інноваційні застосування ВЕЅЅ відкриються в найближчі роки.