Вікіпедія

Акумуляторна електростанція

Акумуляторна електростанція або система накопичення енергії в батареях (СНЕБ) — це тип електростанції для накопичення енергії, яка використовує групу батарей для зберігання електроенергії. Акумуляторна батарея є найшвидшим диспетчеризованим джерелом живлення(інші мови) в електричних мережах, і вона використовується для стабілізації цих мереж, оскільки акумуляторна батарея може переходити з режиму очікування на повну потужність менш ніж за секунду, щоб мати справу з непередбаченими проблемами мережі(інші мови).[1]

Проект зберігання енергії Техачапі, Техачапі, Каліфорнія

Акумуляторні електростанції, як правило, сконструйовані таким чином, щоб мати можливість працювати на повній номінальній потужності протягом кількох годин. Акумуляторна батарея може використовуватися для короткочасного пікового навантаження[2] та допоміжних послуг(інші мови), таких як забезпечення робочого резерву та регулювання частоти, щоб мінімізувати ймовірність відключень електроенергії. Вони часто встановлюються на інших діючих або невикористовуваних електростанціях або поблизу них і можуть використовувати одне й те саме підключення до мережі для зменшення витрат. Оскільки акумуляторні електростанції не потребують доставки палива, вони компактні порівняно з генеруючими станціями та не мають димових труб чи великих систем охолодження, їх можна швидко встановити та розмістити, якщо це необхідно, у міських районах поблизу навантаження споживачів.

Станом на 2021 рік потужність і потужність найбільших індивідуальних акумуляторних електростанцій на порядок менші, ніж у найбільших гідроакумулювальних електростанцій, найпоширенішої форми зберігання енергії в мережі. Наприклад, гідроакумулювальна станція округу Бат, друга за величиною у світі, може накопичувати 24 ГВт-год електроенергії та відправляти 3 ГВт, тоді як перша черга акумуляції енергії Vistra Energy[en] Moss Landing може накопичувати 1,2 ГВт-год і розподіляти 300 МВт.[3] Проте мережеві батареї не обов'язково мають бути великими, може бути широко розгорнута велика кількість менших батарей в мережі для більшої надлишковості та великої загальної ємності.

Станом на 2019 рік енергія з акумуляторів зазвичай дешевша, ніж газова турбіна відкритого циклу для використання до двох годин, і було близько 365 ГВт-год акумуляторних накопичувачів, розгорнутих у всьому світі, швидко зростають.[4] Нормована вартість зберігання стрімко впала, зменшившись вдвічі за два роки, щоб досягти 150 доларів США за МВт-год у 2020 році[5][6][7] і ще більше знизитися до 117 доларів США до 2023 року[8].

Конструкція

ред.
 
Акумуляторні батареї, які використовуються в центрі обробки даних
 
Літій-залізо-фосфатні акумуляторні модулі, упаковані в транспортні контейнери, встановлені в Beech Ridge Energy Storage System у Західній Вірджинії[9][10]

Акумуляторні електростанції та джерела безперебійного живлення (ДБЖ) можна порівняти за технологією та функціями. Однак акумуляторні електростанції більші.

З міркувань безпеки батареї розміщуються у власних конструкціях, таких як склади чи контейнери. Як і у випадку з ДБЖ, одне занепокоєння полягає в тому, що електрохімічна енергія накопичується або виділяється у вигляді постійного струму, тоді як електричні мережі зазвичай працюють на змінному струмі. З цієї причини необхідні додаткові інвертори для підключення акумуляторних електростанцій до мережі високої напруги. Цей тип силової електроніки включає запірний тиристор(інші мови), які зазвичай використовуються при високовольтній передачі постійного струму.

Залежно від співвідношення потужності та енергії, очікуваного терміну служби та вартості можна використовувати різні системи акумуляторів. У 1980-х роках свинцево-кислотні батареї використовувалися для перших акумуляторних електростанцій. У наступні кілька десятиліть почали все частіше використовувати нікель-кадмієві та натрієво-сірчані батареї.[11] Починаючи з 2010 року, все більше і більше акумуляторних установок покладаються на літій-іонні батареї в результаті швидкого зниження вартості цієї технології, спричиненого промисловістю електричних автомобілів. В основному використовуються літій-іонні акумулятори. З'явилися проточні батареї(інші мови), але свинцево-кислотні батареї все ще використовуються в невеликих бюджетних системах.[12]

Безпека

ред.

Більшість систем складається з надійно герметичних батарейних блоків(інші мови), які керуються електронікою і замінюються, коли їх продуктивність падає нижче заданого порогу. Батареї страждають від старіння або погіршення, спричиненого циклами заряду-розряду. Це погіршення, як правило, більше при високій швидкості заряджання. Це старіння спричиняє втрату продуктивності (зменшення ємності або напруги), перегрів і може призвести до критичної несправності (витік електроліту, пожежа, вибух). Іноді акумуляторні електростанції побудовані з накопичувальними системами на маховиках(інші мови), щоб зберегти енергію батареї.[13] Маховики можуть справлятися зі швидкими коливаннями краще, ніж старі акумуляторні установки.[14]

Гарантії СНЕБ, як правило, включають обмеження терміну служби на пропускну здатність енергії, виражену як кількість циклів заряду-розряду.[15]

Свинцево-кислотні акумулятори

ред.

Свинцево-кислотні батареї — це батареї першого покоління, які зазвичай використовуються в старих системах СНЕБ.[16] Деякі приклади: батарея з піковою потужністю 1,6 МВт і безперервною потужністю 1,0 МВт була введена в експлуатацію в 1997 році.[17] У порівнянні з сучасними акумуляторними батареями, свинцево-кислотні батареї мають відносно низьку щільність енергії. Незважаючи на це, вони здатні видавати високі імпульсні струми(інші мови). Однак негерметичні свинцево-кислотні батареї виробляють водень і кисень із водного електроліту при надмірному заряджанні. Воду потрібно регулярно доливати, щоб уникнути пошкодження акумулятора. Потрібно випустити легкозаймисті гази, щоб уникнути ризику вибуху. Однак таке технічне обслуговування має певну вартість, у той час як останні батареї, такі як літій-іонні батареї, не мають такої проблеми.

Літієві акумулятори

ред.

Літій-іонні батареї розроблені для тривалого функціонування без обслуговування. Зазвичай вони мають високу щільність енергії та низький саморозряд.[18] Завдяки цим властивостям більшість сучасних СНЕБ є літій-іонними акумуляторами.[19]

Недоліком деяких типів літій-іонних акумуляторів є пожежобезпечність, переважно тих, що містять кобальт.[20] Кількість інцидентів на СНЕБ становить близько 10-20 на рік (переважно протягом перших 2-3 років), незважаючи на значне збільшення кількості та розміру СНЕБ. Таким чином відсоток відмов зменшився. Збої відбувалися переважно в елементах керування та балансі системи(інші мови), тоді як 11 % відбулися в комірках.[21]

Приклади пожеж СНЕБ включають 23 пожежі на акумуляторній фермі в Південній Кореї в 2017—2019 роках,[22] Tesla Megapack(інші мови) у Джилонзі,[23][24] пожежу та наступний вибух на акумуляторній фермі в Арізоні[21] та пожежу через коротке замикання охолоджувальної рідини на фермі батарей LG Moss Landing.[25][26]

Це призвело до більшої кількості досліджень в останні роки щодо заходів пом'якшення ризиків пожежної безпеки.[27]

До 2024 року літій-залізо-фосфатна батарея стала ще одним важливим типом для великих сховищ завдяки високій доступності її компонентів і високій безпеці порівняно з літій-іонними хімікатами на основі нікелю.[28] Як доказ можливості тривалого безпечного використання, систему зберігання енергії на основі літій-залізо-фосфатних батарей було обрано для встановлення в Paiyun Lodge на горі Джейд (Юйшань) (найвищий альпійський будиночок на Тайвані). Поки що система все ще безпечно працює з 2016 року.[29]

Акумулятори на основі натрію

ред.

Натрій-іонні батареї також запропоновані для використання СНЕБ. Порівняно з літій-іонними батареями натрій-іонні батареї мають дещо нижчу вартість, кращі характеристики безпеки та аналогічні характеристики постачання електроенергії. Однак вони мають нижчу щільність енергії порівняно з літій-іонними акумуляторами. Їх принцип роботи та конструкція елемента подібні до типів літій-іонних акумуляторів, але у них інтеркалюючий іон літію замінено на натрій. Деякі натрієві батареї також можуть безпечно працювати за високих температур (натрієво-сірчана батарея). На даний момент батареї на основі натрію ще не повністю комерціалізовані. Найбільша електростанція СНЕБ, що використовує натрій-іонну технологію, що будується в провінції Хубей, має потужність 50 МВт/100 МВт·год і, як очікується, буде завершена протягом 2024 року[30].

Експлуатаційні характеристики

ред.
 
Акумуляторна електростанція в Шверіні (внутрішній вигляд 2014, модульні ряди акумуляторів)

Через відсутність механічних частин акумуляторні електростанції можуть допомогти пом'якшити швидкі коливання, коли електричні мережі працюють на максимальній потужності.[31] Однак деякі батареї мають недостатні системи контролю, виходячи з ладу під час помірних збоїв, яких вони повинні були витримати.[32] Акумулятори також зазвичай використовуються для зрізання піків навантаження протягом періодів до кількох годин.[2]

Системи зберігання акумуляторів можуть бути активними на спотових ринках(інші мови), надаючи такі системні послуги, як стабілізація частоти.[33] Арбітраж — привабливий спосіб отримати вигоду від робочих характеристик акумуляторних накопичувачів.

Акумуляторні станції також можна використовувати в поєднанні з непостійним відновлюваним джерелом енергії в автономних енергосистемах(інші мови).[34]

Розвиток і зростання ринку

ред.
 
Зростання встановленої ємності акумуляторів в США між 2015 і 2023 роками[35]

Незважаючи на те, що ринок підключених до мережі акумуляторів невеликий порівняно з іншою основною формою накопичення енергії в мережі — ГАЕС, він розвивається дуже швидко. Наприклад, у США ринок накопичувальних електростанцій у 2015 році зріс на 243 % порівняно з 2014 роком.[36] У 2021 році ціна встановлення батареї 60 МВт/240 МВт-год (4 години) у Сполучених Штатах становила 379 доларів США за корисну кВт-год або 292 долари США за кВт-год, що на 13 % менше, ніж у 2020 році.[37][38]


Станом на травень 2021 року у Сполученому Королівстві працювало 1,3 ГВт акумуляторних накопичувачів та16 ГВт проектів, які потенційно можна розгорнути протягом наступних кількох років, знаходились на стадії розробки.[39] У 2022 році потужність Великобританії зросла на 800 МВт-год і склала 2,4 ГВт/2,6 ГВт-год.[40] У Європі додалися 1,9 ГВт, планується ще кілька проектів.[41]

У 2020 році Китай додав 1557 МВт до своїх акумуляторних накопичувачів, тоді як сховища для фотоелектричних проектів становлять 27 % потужності[42] від 3269 МВт загальної потужності електрохімічних накопичувачів.[43]

На ринку спостерігається великий рух, наприклад, деякі розробники будують системи зберігання зі старих акумуляторів електромобілів, де витрати, ймовірно, можуть бути зменшені вдвічі порівняно зі звичайними системами з нових акумуляторів.[44]

Примітки

ред.
  1. ↑ Denholm, Paul; Mai, Trieu; Kenyon, Rick Wallace; Kroposki, Ben; O'Malley, Mark (2020). Inertia and the Power Grid: A Guide Without the Spin (PDF). National Renewable Energy Laboratory. Page 30
  2. ↑ а б Spector, Julian (1 липня 2019). What Comes Next After Batteries Replace Gas Peakers?. www.greentechmedia.com. Процитовано 3 липня 2019.
  3. ↑ 'Manufacturer reveals involvement in world's biggest battery energy storage system so far'. Energy Storage News. 17 червня 2021.
  4. ↑ Behind the numbers: The rapidly falling LCOE of battery storage. Energy Storage News. 6 травня 2020.
  5. ↑ BloombergNEF: 'Already cheaper to install new-build battery storage than peaking plants'. Energy Storage News. 30 квітня 2020.
  6. ↑ Grid Energy Storage Technology Cost and Performance Assessment (PDF). US Department of Energy. Процитовано 23 грудня 2021.
  7. ↑ Energy Storage Cost and Performance Database. US Department of Energy. Процитовано 23 грудня 2021.
  8. ↑ Annual Energy Outlook 2023 - U.S. Energy Information Administration (EIA). www.eia.gov. Процитовано 24 жовтня 2023.
  9. ↑ Colthorpe, Andy (2 квітня 2020). Illinois, Virginia wind farms add 72MWh of battery storage for PJM frequency regulation market. Energy Storage News. Процитовано 20 червня 2023.
  10. ↑ Jacobo, Jonathan Tourino (12 квітня 2022). Wisconsin regulators approve another Invenergy solar-plus-storage plant. Energy Storage News. Процитовано 19 червня 2023.
  11. ↑ Batteries for Large-Scale Stationary Electrical Energy Storage (PDF; 826 kB), The Electrochemical Society Interface, 2010, (engl.)
  12. ↑ Große Batteriespeicher erobern die Stromnetze. pv-magazine.de. Retrieved 11 March 2016.
  13. ↑ utilitydive.com, PG&E contracts for 75 MW of energy storage on its way to 580 MW of capacity. Dec. 4, 2015
  14. ↑ zdf-video, ZDF — Planet E — Schwungradspeicher. 27 February 2013
  15. ↑ Energy Sector Management Assistance Program (1 серпня 2020). Warranties for Battery Energy Storage Systems in Developing Countries (англ.). World Bank, Washington, DC. doi:10.1596/34493.
  16. ↑ May, Geoffrey J.; Davidson, Alistair; Monahov, Boris (1 лютого 2018). Lead batteries for utility energy storage: A review. Journal of Energy Storage. 15: 145—157. Bibcode:2018JEnSt..15..145M. doi:10.1016/j.est.2017.11.008. ISSN 2352-152X.
  17. ↑ Franks, William A. (29 січня 2024). Kinetic Energy Storage for Rapid Transit Applications. 2024 IEEE Electrical Energy Storage Application and Technologies Conference (EESAT). IEEE. с. 1—5. doi:10.1109/eesat59125.2024.10471223. ISBN 979-8-3503-0823-5.
  18. ↑ Alkhedher, Mohammad; Al Tahhan, Aghyad B.; Yousaf, Jawad; Ghazal, Mohammed; Shahbazian-Yassar, Reza; Ramadan, Mohamad (1 травня 2024). Electrochemical and thermal modeling of lithium-ion batteries: A review of coupled approaches for improved thermal performance and safety lithium-ion batteries. Journal of Energy Storage. 86: 111172. Bibcode:2024JEnSt..8611172A. doi:10.1016/j.est.2024.111172. ISSN 2352-152X.
  19. ↑ Chung, Hsien-Ching; Nguyen, Thi Dieu Hien; Lin, Shih-Yang; Li, Wei-Bang; Tran, Ngoc Thanh Thuy; Thi Han, Nguyen; Liu, Hsin-Yi; Pham, Hai Duong; Lin, Ming-Fa (December 2021). Chapter 16 - Engineering integrations, potential applications, and outlooks of Li-ion battery industry. First-Principles Calculations for Cathode, Electrolyte and Anode Battery Materials. IOP Publishing. doi:10.1088/978-0-7503-4685-6ch16. ISBN 978-0-7503-4685-6.
  20. ↑ Safety Implications of Lithium Ion Chemistries. Electric Power Research Institute(інші мови). 22 грудня 2023.
  21. ↑ а б Insights from EPRI's Battery Energy Storage Systems (BESS) Failure Incident Database: Analysis of Failure Root Cause (PDF). Electric Power Research Institute(інші мови). 15 травня 2024.
  22. ↑ Na, Yong-Un; Jeon, Jae-Wook (October 2023). Unraveling the Characteristics of ESS Fires in South Korea: An In-Depth Analysis of ESS Fire Investigation Outcomes. Fire (англ.). 6 (10): 389. doi:10.3390/fire6100389.
  23. ↑ Large battery fire in Moorabool. www.frv.vic.gov.au (англ.). 30 липня 2021. Процитовано 30 липня 2021.
  24. ↑ Fire breaks out at giant battery project near Geelong. www.abc.net.au (en-AU) . 30 липня 2021. Процитовано 30 липня 2021.
  25. ↑ The world's largest battery facility has gone dormant in Moss Landing, with no timetable on return. Архів оригіналу за 16 вересня 2021.
  26. ↑ Lithium Ion Batteries - 5 Largest Fires To Date. Fire and Safety Solutions. 4 квітня 2022.
  27. ↑ Lv, Youfu; Geng, Xuewen; Luo, Weiming; Chu, Tianying; Li, Haonan; Liu, Daifei; Cheng, Hua; Chen, Jian; He, Xi (20 листопада 2023). Review on influence factors and prevention control technologies of lithium-ion battery energy storage safety. Journal of Energy Storage. 72: 108389. Bibcode:2023JEnSt..7208389L. doi:10.1016/j.est.2023.108389. ISSN 2352-152X.
  28. ↑ LFP battery to retain dominant market share in energy storage sector. Reuters. 7 грудня 2023.
  29. ↑ Chung, Hsien-Ching (13 червня 2024). The Long-Term Usage of an Off-Grid Photovoltaic System with a Lithium-Ion Battery-Based Energy Storage System on High Mountains: A Case Study in Paiyun Lodge on Mt. Jade in Taiwan. Batteries. 10 (6): 202. arXiv:2405.04225. doi:10.3390/batteries10060202.
  30. ↑ Krampf, Sam (29 січня 2024). China's Groundbreaking 100MWh Sodium-ion BESS. SodiumBatteryHub (амер.). Процитовано 19 липня 2024.
  31. ↑ Institute of General Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine, 172 Antonovycha str., Kyiv, 03150, Ukraine; Kulyk, м.M.; Dryomin, I.V.; Institute of General Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine, 172 Antonovycha str., Kyiv, 03150, Ukraine; Zgurovets, A.V.; Institute of General Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine, 172 Antonovycha str., Kyiv, 03150, Ukraine (27 червня 2018). Investigation of the operating modes of integrated power systems with powerful wind power plants and accumulator batteries. The Problems of General Energy. Т. 2018, № 2. с. 15—20. doi:10.15407/pge2018.02.015. Процитовано 19 липня 2024.
  32. ↑ Battery storage failures highlight reliability challenges of inverter-based resources: report. Utility Dive. 4 жовтня 2023.
  33. ↑ Nitsch, Felix; Deissenroth-Uhrig, Marc; Schimeczek, Christoph; Bertsch, Valentin (15 вересня 2021). Economic evaluation of battery storage systems bidding on day-ahead and automatic frequency restoration reserves markets (PDF). Applied Energy (англ.). 298: 117267. Bibcode:2021ApEn..29817267N. doi:10.1016/j.apenergy.2021.117267. ISSN 0306-2619.
  34. ↑ Кулик, М.М.; Дрьомін, І.В.; Згуровець, О.В. (2018). МОЖЛИВОСТІ ВИКОРИСТАННЯ АКУМУЛЯТОРНИХ БАТАРЕЙ ДЛЯ СТАБІЛІЗАЦІЇ ЧАСТОТИ В ОБ’ЄДНАНИХ ЕНЕРГОСИСТЕМАХ З ПОТУЖНИМИ СОНЯЧНИМИ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЯМИ (українською) (вид. Відновлювана енергетика. 2018. № 3). с. 6—14.
  35. ↑ Antonio, Katherine; Mey, Alex (9 січня 2024). U.S. battery storage capacity expected to nearly double in 2024. Today in Energy. U.S. Energy Information Administration. Процитовано 12 червня 2024.
  36. ↑ USA: Speichermarkt wächst um 243 Prozent im Jahr 2015. pv-magazine.de. retrieved 11 March 2016.
  37. ↑ Colthorpe, Andy (4 листопада 2021). NREL: Cost of solar, energy storage in US fell across all segments from 2020 to 2021. PV Tech. Архів оригіналу за 12 листопада 2021.
  38. ↑ U.S. Solar Photovoltaic System and Energy Storage Cost Benchmarks: Q1 2021 (PDF). National Renewable Energy Laboratory. U.S. Department of Energy. November 2021. с. 36. NREL/TP-7A40-80694. Процитовано 14 листопада 2021.
  39. ↑ McCorkindale, Mollie (19 травня 2021). Top ten UK battery storage projects forecast for 2021 completion. Solar Power Portal. Процитовано 27 вересня 2021.
  40. ↑ McCorkindale, Mollie (1 лютого 2023). 800MWh of utility-scale energy storage capacity added in the UK during 2022. Energy Storage News.
  41. ↑ Murray, Cameron (21 березня 2023). Europe deployed 1.9GW of battery storage in 2022, 3.7GW expected in 2023 - LCP Delta. Energy Storage News.
  42. ↑ Yuki (5 липня 2021). "First-of-its-Kind" Energy Storage Tech Fest -China Clean Energy Syndicate. Energy Iceberg (амер.). Процитовано 18 липня 2021.
  43. ↑ Energy Storage Industry White Paper 2021. China Energy Storage Alliance. 2021.
  44. ↑ Electric vehicles, second life batteries, and their effect on the power sector | McKinsey. www.mckinsey.com. Процитовано 15 грудня 2021.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Акумуляторна_електростанція&oldid=43092389