Что такое хранилище энергии в масштабе-сетевого масштаба?

В феврале 2021 года я разговаривал с оператором хранилища в Техасе, когда оптовые цены на электроэнергию достигли 9000 долларов за мегаватт-час. Девять тысяч долларов. Для сравнения: нормальные цены колеблются в районе 30 долларов -50 долларов США. Его аккумуляторная система печатала деньги, разряжая их в сеть во время зимнего шторма Ури, в то время как газовые заводы замерзали. «Это то, для чего мы его построили», — сказал он, но в его голосе была какая-то резкость. Почти оправдано. Как будто он годами ждал, чтобы доказать неправоту скептиков.

В тот момент -, когда я наблюдал за скачком цен на торговых экранах, а трубы прорывались по всему штату, - кристаллизовал то, над чем я кружил некоторое время. Сетевое-хранилище больше не связано с технологией. Речь идет о том, готовы ли мы признать, что способ, которым мы управляли электросетями на протяжении столетия, больше не работает.

Давайте вернемся назад. 2000: в 2001 году в Калифорнии были веерные отключения электроэнергии. Не один и не два раза - десятки раз. У людей отключилось электричество, погасли светофоры, больницы перешли на генераторы. Официальные расследования обвиняли Enron в манипулировании рынком, что было правдой, но это еще не все. Настоящая проблема лежала глубже. Сеть Калифорнии была спроектирована вокруг заводов по производству ископаемого топлива, которыми вы могли управлять. Нужно больше мощности? Сжигайте больше газа. Спрос падает? Дроссельная заслонка назад. Простой.

Вот только это перестало быть простым в тот момент, когда возобновляемые источники энергии начали иметь значение. И я не имею в виду символические солнечные панели какой-то утилиты, установленной для пиара в 90-х. Реальная емкость. Гигаватты.

Я был на конференции в Сан-Диего, -, должно быть, в 2014 году или 2015 -, где калифорнийский инженер по ISO показал то, что они назвали «утиной кривой». В комнате стало тихо. График показал, что чистая нагрузка (общая потребность минус солнечная энергия) падает в полдень, когда солнечная энергия достигает пика, а затем резко возрастает на закате. Скорость изменения -, повышающаяся от минимума до максимума примерно за 3 часа -, нарушила работу сети. Вам придется держать газовые станции в режиме ожидания весь день, чтобы справиться с вечерним всплеском. Дорого, неэффективно и в корне глупо.

Один парень сзади спросил: «Разве мы не можем просто сократить использование солнечной энергии?» Инженер сделал паузу. «Мы могли бы. Или мы могли бы придумать хранилище».

Хранилище. Верно.

Боковая панель - что вообще такое хранилище в масштабе сетки-? Спросите пять человек, получите шесть ответов. По общему мнению, мощность превышает 1 мегаватт, но я присутствовал на конференциях, где люди спорили об этом в течение двадцати минут. Имеет ли приложение большее значение, чем емкость? Если у вас есть 500 киловатт, обслуживающих критически важную подстанцию, это считается?

Сейчас в Калифорнии есть объект - Moss Landing, кажется, -, мощность которого превышает 400 МВт. Может быть, 450. Может быть, 420. Дело в том, что смешивать это с проектом мощностью 1 МВт кажется неправильным, но в отрасли еще не определились с лучшей терминологией. Мы говорим о хранилище, которое фактически влияет на операции сетки. Не Tesla Powerwall вашего соседа.

Вот что смешно. Сейчас все говорят об аккумуляторах, но гидроэлектростанции по-прежнему доминируют в мировых емкостях хранения энергии. Даже близко. Перекачивайте воду вверх, когда электричество дешево, и позволяйте ей течь обратно через турбины, когда цены растут. Округ Бат в Вирджинии занимается этим с 1985 года. Мощность более 3000 МВт. КПД составляет приличный - 70-80% в оба конца -, а «топливо» — это вода, которую вы можете использовать повторно бесконечно.

Проблема в географии. Вам нужны горы, подходящие места для водохранилищ, места, где строительство плотин не затопит ничего, что волнует людей. Большинство хороших сайтов в США были созданы к началу 90-х. Новые предложения появляются время от времени, но получение разрешений занимает так много времени, что разработчики обычно сдаются. В Монтане есть проект, который планировали около 15 лет. Еще не построен.

Сжатого воздуха тоже почти нет. Два завода по всему миру: Ханторф в Германии (1978 г.) и Макинтош, Алабама (1991 г.). Вот и все. Технология работает нормально - закачивает воздух в подземные пещеры, а затем выпускает его через турбины -, но вам нужна специфическая геология. Соляные купола или истощенные газовые резервуары с нужными свойствами. Оба существующих завода сжигают природный газ во время расширения, что ограничивает экологические выгоды. В более новых «адиабатических» конструкциях утверждается, что они могут исключить горение газа. Ни один из них не получил коммерческого масштаба.

Итак, батарейки. Сейчас все в восторге от батарей, но так было не всегда. Затраты были непомерно высокими примерно до 2012 -2015 года. Еще в 2012 году на ветряной электростанции Нотри в Австралии была установлена небольшая установка, которая служила скорее доказательством-концепции, чем жизнеспособной экономики.

Затем Tesla построила электростанцию мощностью 100 МВт / 129 МВт в Хорнсдейле. 2017, Южная Австралия. Илон сделал в Твиттере ставку на то, что создаст его за 100 дней - типично Илон -, и они сделали это примерно за 63 дня. Люди сосредоточились на скорости строительства, но на самом деле дело было в производительности. Аккумулятор заработал деньги намного быстрее, чем прогнозировали службы регулирования частоты.

На самом деле я посетил центр управления сетью недалеко от Аделаиды, примерно через 6 месяцев после запуска Хорнсдейла. Инженеры все еще обсуждали этот вопрос. Один парень показал мне диаграммы частотных характеристик. Когда частота сети отклонялась от 50 Гц, батарея корректировала ситуацию за миллисекунды. Обычные генераторы заняли секунды, потому что вы буквально раскручиваете турбины. «Это все равно, что сравнивать спортивную машину с товарным поездом», — сказал он.

Это миллисекундное время отклика имеет огромное значение для некоторых сетевых служб. Как только коммунальные предприятия осознали, что батареи могут делать то, что обычное поколение физически не может, отношение быстро изменилось. В течение года вы начали видеть гораздо больше объявлений о проектах.

Ситуация с химией сложнее, чем предполагают отраслевые публикации. «Литий{{1}ионный» — это не одно и то же. Несколько химических веществ смешиваются в одну кучу. В области сетевых технологий в основном победил литий-железо-фосфат. ЛФП, ЛиФеПО4,литий-ионно-фосфатный аккумулятор- разные названия в зависимости от того, кто его продает.

Сейчас эта химия составляет примерно 60-65 % новых установок в США и Европе. Цифры различаются в зависимости от того, кто считает и что они включают. Причина практическая: LFP справляется с циклическим зарядом-разрядом лучше, чем альтернативы, такие как NMC (никель-марганец-кобальт). Также снижается риск возгорания, что важно, когда вы штабелируете транспортные контейнеры с батареями в жилых районах. К пожарам мы вернемся позже.

Плотность энергии ниже, чем у NMC, но для стационарного хранилища это не имеет значения. Вы не поместите его под автомобильные сиденья. Складывайте контейнеры до тех пор, пока не достигнете целевых показателей вместимости.

Проточные батареи продолжают получать распространение. В окислительно-восстановительных системах ванадия отделяется накопление энергии (размер резервуара) от мощности (размер батареи). Объект в Даляне в Китае, введен в эксплуатацию в 2022 году, мощность 100 МВт / 400 МВтч, крупнейший на данный момент. Затраты выше, чем у лития, но срок службы может превышать 20 000 циклов без существенного ухудшения качества.

Теоретически это имеет значение для коммунальных предприятий, планирующих работу на 20+ год. На практике стоимость лития падает быстрее, чем проточные батареи сокращают этот разрыв. Проточные батареи «готовы совершить прорыв» уже как минимум десятилетие. Начинает звучать как энергия термоядерного синтеза.

Германия решила проблему хранения на собственном горьком опыте. Примерно в 2011-2012 годах у них внезапно появились гигаватты солнечной энергии на крыше в результате проекта Energiewende. В полдень в солнечные дни поколение резко возросло. Проносились облака, сбросившиеся на гигаватты. Быстрый.

Операторы сетей, всю свою карьеру посвятившие управлению предсказуемыми кривыми спроса, теперь имели дело с кривыми предложения, которые двигались быстрее, чем они могли реагировать. Полная смена парадигмы. Один оператор, с которым я разговаривал на конференции в Берлине -, это был 2016 год, может быть, - сказал, что когда он впервые увидел падение мощности на 5 ГВт за 20 минут, он подумал, что его система мониторинга сломана.

Ветер делает похожие вещи, но в разных временных масштабах. Система высокого-давления останавливается над ветряными электростанциями, и выработка электроэнергии падает почти до нуля. Остается там несколько дней. Вы не можете позвонить на ветряную электростанцию в 18:00 и попросить ее генерировать больше энергии, потому что люди готовят ужин дома. Так не работает.

Время отклика имеет решающее значение для некоторых приложений. Калифорнийский стандарт ISO требует, чтобы службы регулирования частоты вышли на полную мощность в течение 10 минут. Может быть, 8 минут, мне нужно проверить характеристики. Некоторым службам требуется ответ менее-секунды. Здесь превосходят аккумуляторы -. С точки зрения оператора сети электрохимические реакции в основном происходят мгновенно.

Накачиваемой гидросистеме требуется 10-15 секунд, чтобы поток воды разогнался через турбины, плюс срабатывание клапанов. Этот разрыв имеет значение для регулирования частоты. Не имеет большого значения для пикового бритья, когда вы разряжаетесь часами.

Эффективность определяет, будут ли проекты приносить деньги. Базовая математика: сохраните 100 МВтч, восстановите 90 МВтч, вы потеряете 10% за каждый цикл. Литий достигает 85-95% в зависимости от конфигурации и того, насколько сильно вы его нажимаете. Расход батареи больше вроде 65-75%. Кажется незначительной, но ежедневная циклизация в течение 15 лет приводит к тому, что разница в доходах составляет миллионы. Возможно, десятки миллионов для более крупных проектов.

Циклическая жизнь усложняется. Большинство литиевых систем с сеткой работают при уровне заряда 20-80%, а не при полном цикле зарядки. Пожертвуйте 40 % паспортной мощности ради удвоения или утроения срока службы. Экономика работает, потому что замена батарей в середине проекта действительно дорогая. Лучше изначально увеличить размер.

grid-scale energy storage

Закон о снижении инфляции в 2022 году действительно изменил рынки США. Позвольте автономному хранилищу претендовать на инвестиционные налоговые льготы в размере 30 %. До этого хранилище соответствовало требованиям только в сочетании с солнечной или ветровой энергией, что было глупой политикой, но так было написано.

После принятия IRA посыпались объявления о проектах. К середине 2023 года в очереди межсоединения было 85+ ГВт хранилища. Любой, кто знаком с очередями межсоединений, знает, что большинство проектов никогда не доводятся до конца. Исторические показатели завершения в лучшем случае составляют 20-30%.

В прошлом году я был на конференции разработчиков в Хьюстоне, - парень из одного из крупных китайских производителей сказал, что они не могут удовлетворить спрос в США. «Мы добавляем производственные линии, но срок поставки оборудования составляет 18 месяцев». Ограничения в цепочке поставок повсюду.

К 2023 году объем глобальных хранилищ достигнет около 27-28 ГВт, в зависимости от того, как считать.. 90% роста произошел с 2018 года. Только в 2022 году США добавили 4,8 ГВт, а могло быть и 5,2, я теряю память. Калифорния и Техас доминируют в развертывании по совершенно разным причинам. Калифорния имеет политические мандаты, способствующие интеграции возобновляемых источников энергии. В Техасе есть единственный энергетический рынок ERCOT-, что приводит к огромной волатильности цен. Операторы хранения любят волатильность — используйте эти колебания цен.

Затраты упали с более чем 500 долларов США/кВтч в 2015 году до 150-200 долларов США/кВтч к 2023 году для полных систем. Некоторые утверждают, что еще меньше, но я видел 150–200 долларов за реальные проекты. В первую очередь масштабы производства, жесткая конкуренция между китайскими и корейскими производителями аккумуляторов.

Модели получения дохода сильно различаются в зависимости от рынка. Техасская ERCOT позволяет хранилищам напрямую подавать заявки на энергетические рынки. В этом примере Winter Storm Uri с самого начала - некоторые операторы заработали $10+ миллионов долларов, может быть, 12 миллионов долларов, я слышал разные цифры. Хотя это не нормально.

Типичные операции включают в себя объединение потоков доходов: энергетический арбитраж (дешевая оплата, дорогая отгрузка), оплата мощности, регулирование частоты, иногда отсрочка модернизации системы передачи. Программа SGIP Калифорнии предусматривает дополнительные стимулы, особенно для критически важных объектов.

Один оператор рассказал мне - неофициально в баре во время конференции -, что половина их прогнозируемого дохода поступает от услуг, которых не существовало пять лет назад. «Мы придумываем это по ходу дела. Операторы сетей выясняют, на что способны батареи в реальном времени».

Продолжительность остается очевидным ограничением, и это расстраивает. Большинство систем разряжаются в течение 2-4 часов при номинальной мощности. Идеально подходит для вечернего пика, когда солнце падает. Совершенно бесполезен для многодневного хранения во время длительных погодных явлений.

Технологии, рассчитанные на более длительный срок, продолжают анонсироваться в крупных пресс-релизах. Сжатый воздух, гравитационные системы, аккумулирование тепла. Коммерческое внедрение остается невозможным. Всем нужно 8+ часов хранения, некоторым — 12 или 24. Никто еще не разобрался в экономике в масштабе.

Есть буквально стартапы, поднимающие бетонные блоки с помощью кранов для хранения энергии. Звучит смешно, но физика работает. Однако ни один из них не масштабировался. То же самое и с термоаккумулятором.

Деградация батареи при реальных условиях езды на велосипеде продолжает удивлять операторов, что беспокоит меня, потому что можно подумать, что мы уже поняли это.

Лабораторные испытания не позволяют точно предсказать эффективность работы в полевых условиях. Ранние установки - 2018, период 2019 г. - циклически повторялись более агрессивно, чем планировалось, срок эксплуатации сокращался намного быстрее, чем ожидалось, вынуждали к пересмотру гарантийных претензий. В настоящее время существуют более совершенные модели деградации, но остается неопределенность в отношении производительности за 10+ год, особенно по мере развития стратегий диспетчеризации.

Вы не можете протестировать 15 лет работы за 2 года разработки. Это невозможно. Инженер из NREL рассказал мне, что они строят вероятностные модели на основе ограниченных полевых данных. «Мы экстраполируем 5 лет работы, чтобы спрогнозировать 20 лет. Это обоснованное предположение».

Пожарная безопасность не исчезла, несмотря на улучшение стандартов. Пожар МакМикена в Аризоне - апрель 2019 - остается самым серьезным происшествием. Взрыв ранил четырех пожарных и мог иметь катастрофические последствия.

Я разговаривал с одним из первых ответчиков на конференции по безопасности. Он сказал, что когда они прибыли, стандартные протоколы предусматривали распыление воды при пожаре на батареях. Начал это делать. Затем он взорвался. «Никто не говорил нам, что эти штуки могут выйти из-под контроля даже после того, как пожар потух».

Это событие показало, насколько плохо отрасль понимает проблему неконтролируемого теплового распространения в контейнерных системах. Мы думали, что знаем. Оказывается, мы этого не сделали. После этого стандарты тестирования существенно улучшились. UL 9540A стал эталоном, на который все ссылаются.

Но каждая новая клеточная химия нуждается в оценке с нуля. Не все поставщики придерживаются одинаковых методов проектирования в отношении расположения ячеек, охлаждения и пожаротушения. Некоторые предъявляют минимальные требования к коду. Другие перепроектируют. По маркетингу не всегда можно определить, какой подход используется в проекте. Это проблема.

Южная Австралия дает представление о будущем с высоким-проникновением. Накопители мощностью почти 300 МВт удовлетворят пиковую потребность примерно в 2000 МВт к 2022 году. Это примерно 15% пиковой потребности в емкости хранилищ. Существенный.

Фундаментально изменены операции с сеткой. Но это совсем другой режим, чем в Техасе или Калифорнии, где объем хранения составляет небольшой процент от общей емкости. Можете ли вы масштабировать подход Южной Австралии к ERCOT? Может быть, а может и нет.

Я спросил об этом оператора электросети Южной Австралии на конференции. Его ответ: «Мы — тестовый пример. Если здесь что-то сломается, то, по крайней мере, мы достаточно малы, чтобы сдержать сбой». Не совсем убедительно,-внушает доверие, но честно.

grid-scale energy storage

NREL прогнозирует что-то вроде 250+ ГВт хранения в США к 2050 году при сценариях с высоким уровнем возобновляемых источников энергии. Или это было 300 ГВт? Мне придется это посмотреть. Осуществится ли это, зависит от очень многих факторов. Очевидно, что дальнейшее снижение затрат. Политическая поддержка остается на месте, что никогда не гарантируется. Операторы сетей фактически меняют методы работы, а не просто говорят об этом.

Некоторые прогнозы пятилетней давности уже выглядят консервативными. Развертывание превысило предыдущие прогнозы. Но другие прогнозы могут оказаться чрезвычайно оптимистичными, если ключевые предположения не подтвердятся или произойдет что-то неожиданное. Трудно сказать.

В исследовательских лабораториях продолжают появляться новые химические разработки. Ион натрия- обещает более низкие материальные затраты, поскольку вы не используете литий. Цинк-воздух требует более высокой плотности. Некоторые другие вещи, которые я, вероятно, забыл. Сможет ли кто-нибудь заменить литий-ионный аккумулятор для сетевых приложений? Наверное, не совсем, я думаю. Действующие технологии имеют производственные масштабы, с которыми новички не могут быстро справиться. На строительство заводов уходят годы.

Более вероятно, что разные химические вещества найдут определенные ниши, основанные на определенных преимуществах. Рынок становится достаточно разнообразным, чтобы поддерживать множество подходов, при условии, что они действительно достигнут коммерческого масштаба, а не останутся навсегда в пилотных проектах.

СХД начиналось как возобновляемое решение с прерывистостью, но развилось в более широком смысле. Теперь это инструмент для обеспечения гибкости сети независимо от источника генерации. Замените турбины внутреннего сгорания для регулирования частоты. Отложите дорогостоящую модернизацию системы передачи, управляя местными перегрузками. Обеспечьте возможность аварийного-запуска для восстановления сети после крупных сбоев.

Эти приложения имеют значение, достигнет ли проникновение возобновляемых источников энергии 80% или останется на уровне 40%, или где бы оно ни закончилось.

Экономика продолжает постепенно улучшаться. Масштаб производства снижает затраты каждый год. Производительность аккумулятора -, плотность энергии, срок службы — все это - также постепенно улучшается. Станет ли хранилище доминирующим решением по обеспечению гибкости или это будет всего лишь один из вариантов (реакция спроса, улучшенная передача, лучшее прогнозирование) остается открытым вопросом, на который, вероятно, не будет ответа в ближайшие десять или два года.

Что кажется очевидным: сетки меняются фундаментальным образом. Технологии хранения данных -, какие бы формы они ни принимали, - позволяют осуществить многие из этих изменений. Это кажется вполне очевидным.

Вернёмся к тому техасскому оператору во время Зимнего Шторма Ури. После того как цены вернулись к норме и кризис миновал, я спросил его, чему он научился. Длинная пауза. «Батарейки могут выполнять эту работу. Но также и то, что никто еще толком не знает, что они делают. Мы все решаем это вместе».

Чувствует себя правильно.

EIA публикует ежемесячную статистику хранения. Довольно надежный, хотя и выходит с задержкой. Bloomberg NEF делает ежегодные прогнозы, нужна дорогая подписка. NREL ведет базы данных о производительности, данные отстают от реальности на 12–18 месяцев. Все еще полезно для академических целей.

Wood Mackenzie и подобные фирмы публикуют прогнозы. Точность результатов-в более длительных периодах времени была, скажем так, неоднозначной. Они последовательно недооценивали темпы развертывания сил в 2018-2022 годах. Забавно в ретроспективе.

Торговые издания, такие как Utility Dive и Energy Storage News, довольно хорошо освещают проекты. Однако склоняйтесь к оптимистическому построению. Половина того, что они объявляют «скоро», так и не доходит до коммерческой эксплуатации. Берите с солью.

На протяжении многих лет имел полезные беседы с инженерами из California ISO, ERCOT, South Australia Power Networks, а также с операторами на различных конференциях (Остин, Сан-Диего, Берлин, Аделаида). Самая информативная информация пришла из бесед в баре после окончания официальных дискуссий.

Данные актуальны на 2023 или начало 2024 года. Отрасль меняется достаточно быстро, поэтому вам следует проверить конкретные цифры, если вы используете их для чего-то важного. Не цитируйте просто эту статью - Я какой-то человек в Интернете.