РЫНОК СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РОССИИДоклад опубликована 13.06.18 г. на сайте Центра стратегических разработок
ПОД РЕДАКЦИЕЙ
Юрия УДАЛЬЦОВА, заместителя Председателя Правления ООО «УК «РОСНАНО»,
Дмитрия ХОЛКИНА, директора центра развития цифровой энергетики Фонда «ЦСР «Северо-Запад», заместителя руководителя рабочей группы «Энерджинет» Национальной технологической
инициативы.
АВТОРСКИЙ КОЛЛЕКТИВ
Игорь ЧАУСОВ, ведущий аналитик центра развития цифровой энергетики Фонда «ЦСР «Северо-Запад»
Илья БУРДИН, аналитик центра развития цифровой энергетики Фонда «ЦСР «Северо-Запад»
Игорь РЯПИН, руководитель по исследованиям компании First Imagine! Ventures
Юрий ДОБРОВОЛЬСКИЙ, руководитель лаборатории ионики твердого тела Института проблем химической физики РАН
Дмитрий КОРЕВ, директор программ и проектов АО «РВК»
https://www.csr.ru/wp-content/uploads/2018/06/Condenses_system_markets_in-Russia_Internet_final.pdf
Страны-лидеры ведут проактивную политику по данному направлению. В США (штат Калифорния) планируется к 2020 году ввести 1 325 МВт накопительной мощности. В 2016 году компания National Grid (Великобритания) закупила 201 МВт систем накопления энергии для регулирования частоты, а сами СНЭ уже несколько лет представлены на рынке мощности страны. Китай относит накопление энергии к одной из 8 ключевых сфер развития энергетики, до 2021 года планируется ввести 46 ГВт СНЭ. В США и в Китае интенсивно развивается масштабное производство накопителей, ориентированное на насыщение внутреннего рынка и также на массовые экспортные поставки.
По оценке на основе данных агентства Navigant Research, глобальный рынок систем накопления энергии к 2025 году составит 80 млрд долл. США. Основная причина роста – масштабное развитие ВИЭ (стационарное применение для сглаживания неравномерности выработки) и электротранспорта (батареи для электромобилей), напрямую или косвенно использующих накопители.
Системы накопления электроэнергии – важная составляющая энергетического перехода, который в настоящее время намечается и запускается и в России. Характеристики этой глобальной трансформации электроэнергетики и возможная роль нашей страны в ней описаны в докладе «Цифровой переход в электроэнергетике России» Фонда «Центр стратегических разработок». Зарубежные аналитические агентства также рассматривают СНЭ как компоненту новой энергетики и умных энергетических технологий, рынок которых расширяется в контексте роста инвестиций в новую энергетику: за последние 10 лет объем мирового рынка СНЭ вырос почти в три раза.
По нашим оценкам, максимальный объем российского сегмента рынка СНЭ к 2025 году может составить 8,6 млрд долл. США в год (реалистичная оценка рынка –1,5-3 млрд долл. США в год), что даст экономике страны эффект (за вычетом инвестиций) в 11 млрд долл. США в год (для реалистичного объема рынка – 2,5-5 млрд долл. США в год).
На основе экспертного опроса и аналитической работы были определены следующие перспективные направления:
- интернет энергии – использование систем накопления электроэнергии в составе распределенной энергетики;
- новая генеральная схема – использование систем накопления электроэнергии в составе централизованной энергетики;
- водородная энергетика – аккумулирование электроэнергии в водородном цикле.
При участии производителей СНЭ, разработчиков новых технологий, отраслевых экспертов был сформирован проект дорожной карты «Развитие рынка систем накопления энергии в Российской Федерации».
РЕВОЛЮЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Системы накопления электроэнергии (СНЭ) – быстро развивающийся класс высокотехнологичных устройств, открывающих принципиально новые возможности для развития электроэнергетики. Они делают электрическую энергию запасаемой и портативной, снимая необходимость строгой одновременности процессов ее генерации и потребления – то основополагающее ограничение по обеспечению баланса мощности, которое выступило ключевым фактором формирования современной архитектуры действующих во всем мире энергосистем. Накопители электроэнергии – принципиально новый элемент их архитектуры, органически дополняющий объекты генерации, передачи и потребления и открывающий широкие возможности по эффективной реализации потенциала новых видов распределенной генерации, созданию активных потребителей, повышению эффективности использования уже введенных в строй и новых энергетических мощностей и работы энергосистем в целом, а также позволяющий перейти к их совершенно новым архитектурам.
По оценкам Navigant Research, к 2025 году рынок систем накопления электроэнергии, используемых в сетевых и системных услугах, превысит 18 млрд долл. США, а рынок накопителей, установленных на коммерческих и промышленных объектах, – 10,8 млрд долл. США.
К 2017 году рынок накопителей для всех применений уже достиг 2,6 млрд долл. США и к 2025 году суммарно составит 82 млрд долл. США в год с ежегодными темпами роста до 60%, из которых до 50 млрд долл. США в год будет приходиться на стационарные СНЭ, присоединенные к энергосистемам.
Рынок накопителей электроэнергии для энергетики – один из самых перспективных рынков высоких технологий в мире, демонстрирующий экспоненциальные темпы роста. McKinsey Global Institute включил этот тип технологий в число 12 наиболее значимых для развития мировой экономики. По прогнозу Bloomberg New Energy Finance, за период 2016–2030 годов объем инвестиций в системы накопления электроэнергии превысит 100 млрд долл. США.
ДРАЙВЕРЫ РАЗВИТИЯ РЫНКА СНЭ
Основными драйверами развития рынка и практики применения СНЭ в мире были – в порядке значимости – пять основных факторов:
1. Удешевление и массовое распространение генерации на основе ВИЭ, эффективное масштабное применение которой невозможно без СНЭ.
2. Развитие и начало массового распространения частного электрического транспорта.
3. Массовое промышленное освоение литий-ионных АКБ, выступающих своего рода строительными блоками наиболее распространенных сегодня СНЭ, и резкое снижение их стоимости.
4. Развитие и снижение стоимости силовой электроники, способной эффективно преобразовывать ток из постоянного в переменный и наоборот, а также развитие систем коммуникаций, позволяющих координировать и управлять значительным количеством объектов в энергосистеме.
5. Рост потребности в пиковых генерирующих и сетевых мощностях (в т.ч. вследствие увеличения доли более неравномерного бытового потребления в совокупном балансе электропотребления), приводящий к росту стоимости мощности для потребителей и к снижению эффективности работы энергосистем.
Сегодня системы накопления электроэнергии сами выступают одним из основных драйверов развития мировой энергетики, ускоряя и облегчая ее цифровой переход: развитие свободного энергообмена, p2p-рынков энергии и мощности; применение распределенных энергетических ресурсов и их агрегаторов, управление спросом (Demand Response); рост доли ВИЭ в энергобалансе, в том числе за счет распределенной и микрогенерации; развитие и массовое распространение электромобилей, беспилотных летательных аппаратов и другого электрического транспорта.
Зарубежные аналитические агентства также рассматривают СНЭ как компоненту новой энергетики и умных энергетических технологий, рынок которых расширяется в контексте роста инвестиций в новую энергетику: за последние 10 лет объем мирового рынка СНЭ увеличился почти в три раза.
СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ СНЭ
Наиболее революционное значение применение СНЭ имеет для электроэнергетики и различных видов транспорта. Функциональные возможности СНЭ позволяют определить четыре основных профиля их использования в этих отраслях:
1. Основной источник энергии
2. Аварийный источник энергии
3. Управление графиком потребления
4. Регулирование системных параметров
Накопители электроэнергии могут играть роль основного мобильного или подзаряжаемого (заправляемого) источника энергии, аналогично емкостям с углеводородным топливом. Характерное время разрядки составляет более 12 часов. В этом качестве они могут применяться:
- как собственный источник энергии для промышленных предприятий, оборудования и объектов инфраструктуры, домохозяйств;
- как бортовой запас энергии для двигателей личного и общественного электрического и гибридного транспорта всех видов, в том числе автомобилей с электрическими двигателями и БПЛА;
- для первичного и вторичного регулирования и поддержания частоты в энергосистемах, заменяя в этой функции генераторы;
- для повышения качества электроснабжения на стороне коммерческих, промышленных потребителей и домохозяйств;
- в пусковых системах для электрических двигателей различного рода, снижающих воздействие на энергосистемы от пусковых токов;
- для рекуперации энергии на электрическом транспорте и промышленном оборудовании с подвижными частями;
- в электрических трансмиссиях на разных видах транспорта.
ВЛИЯНИЕ СНЭ НА ИЗМЕНЕНИЕ АРХИТЕКТУРЫ ЭНЕРГОСИСТЕМ
Такой разнообразный набор функций и сфер применения СНЭ определяется очень широкими возможностями в аккумуляции и последующей выдаче электроэнергии от миллисекунд до часов и дней; широким диапазоном мощности, энергоемкости и их соотношения; большими допустимыми токами зарядки и разрядки; практически моментальным переключением между различными режимами работы; высокой энергетической эффективностью.
Эти качества открывают технологические возможности для реализации принципиально новых архитектур энергосистем:
1. Энергосистема с широкими возможностями по управлению графиками генерации электроэнергии за счет установки систем накопления электроэнергии большой мощности в узлах сетей. В такой энергосистеме СНЭ играют роль системной регулирующей мощности, обеспечивающей возможность оптимального использования генерирующих мощностей и взаимного сдвига графиков генерации и потребления электрической энергии.
2. Интернет энергии (IoEN), в котором активные потребители, в том числе владеющие СНЭ и собственной генерацией и имеющие возможность как управлять потреблением, так и предоставлять накопленную электроэнергию и мощности своих СНЭ, реализуют свободный энергетический обмен и другие энергетические транзакции и сервисы на децентрализованных рынках.
Для интернета энергии характерны следующие особенности:
- появление активных потребителей с гибко управляемым потреблением, имеющих значительную долю в энергетическом балансе;
- гибкое управление загрузкой генерирующих и сетевых мощностей;
- возможность локального управления качеством электроэнергии на стороне потребителей и групп потребителей;
- самостоятельная балансировка мощности в малых энергосистемах, в том числе с работой генерации и нагрузки в несинхронном режиме. В этом случае все генераторы и потребители связаны друг с другом через энергетический хаб – устройство контроля и регулирования первичного баланса мощности, выстроенного на базе опорно-балансирующих накопителей энергии и позволяющего каждому генератору работать в оптимальном режиме, свободном от режима энергосистемы;
- эффективная интеграция генерации на основе ВИЭ, повышение эффективности и доли ВИЭ в энергетическом балансе энергосистемы;
- интеграция электротранспорта с электрическими сетями как элемента энергосистем (V2G);
- энергоснабжение промышленных, коммерческих потребителей и жилой застройки на постоянном токе со сложно-замкнутой топологией сети. Такие системы электроснабжения, по предварительным оценкам, позволят снизить технические потери на низком напряжении в 4 раза (с 12% до 3%), а стоимость владения системой электроснабжения – на 25%.
3. Взаимная интеграция электроэнергетики с топливной и газовой инфраструктурой (power-to-fuel, power-to-gas), включая производство перспективных видов синтетического топлива (водорода, метана, метанола, аммиака) из электроэнергии.
ЭФФЕКТЫ РАЗВИТИЯ РЫНКА СНЭ
Применение СНЭ открывает для российской экономики существенные перспективы:
совокупный эффект (за вычетом инвестиций в установку СНЭ) составит на горизонте 2025–2035 годов до 10 млрд долл. США в год. Этот эффект будет достигнут за счет:
1. формирования российского промышленного потенциала и выхода российских компаний на экспортные поставки СНЭ, а также поставок водородного топлива (накопленной энергии);
2. повышения системной эффективности электроэнергетики в России и сдерживания роста цен на электроэнергию и мощность вследствие:
2.1. снижения потребности в резервных и регулирующих генерирующих и сетевых мощностях, в том числе за счет выравнивания графиков нагрузки в энергосистеме;
2.2. повышения загрузки (коэффициента использования) существующих генерирующих и сетевых мощностей;
2.3. повышения надежности работы генерирующих мощностей как результат перевода их функционирования в более стабильные режимы;
2.4. повышения надежности и качества электроснабжения потребителей;
2.5. задействования распределенных энергетических ресурсов;
2.6. сокращения потребности в капитальных вложениях в энергетическую инфраструктуру (централизованная генерация, сети);
3. повышения эффективности электроснабжения потребителей с высокими и особыми требованиями к автономности, доступности, надежности, мобильности и качеству электроэнергии вследствие:
3.1. повышения доступности решений по энергоснабжению с использованием накопителей и источников бесперебойного питания;
3.2. снижения стоимости владения энергетическим оборудованием на стороне потребителя за счет повышения эффективности использования генерации (повышение КИУМ, снижение расхода топлива) и снижения износа оборудования при более оптимальных условиях эксплуатации;
3.3. появления дополнительных возможностей у потребителей (участие в регулировании, продажа электроэнергии).
ПРИОРИТЕТНЫЕ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ СНЭ В РОССИИ
Совокупно приоритетные сферы применения СНЭ, формирующие наибольшие сектора внутреннего рынка и обеспечивающие достижение наибольшего эффекта для экономики, создадут на горизонте 2025–2035 годов до 8 млрд долл. США в год.
К этим приоритетным сферам применения относятся:
1. Интернет энергии – применение СНЭ в составе микроэнергосистем, включая изолированные, а также на стороне промышленных, коммерческих и бытовых потребителей, в том числе в системах электроснабжения жилой недвижимости. Объем мирового рынка систем такого типа по состоянию на 2025 год оценивается в 56,7 млрд долл. США в год.
Его сектора вместе создадут в РФ к 2025 году рынок в объеме 0,7-1,7 млрд долл. США в год и обеспечат совокупный экономический эффект за вычетом инвестиций в размере 1,1-2,1 млрд долл. США в год. В число таких секторов войдут:
1.1. применение СНЭ в электроснабжении изолированных и удаленных районов;
1.2. применение СНЭ в системах энергоснабжения жилых районов, в том числе на постоянном токе;
1.3. использование СНЭ в системе энергоснабжения промышленных и коммерческих потребителей;
1.4. применение СНЭ на аккумуляторном и подключенном электрическом транспорте и в зарядной инфраструктуре;
1.5. специальные сервисные применения СНЭ (передвижные аварийные источники питания, коллективные ИБП, сервисы повышения качества электроэнергии).
2. Новая генеральная схема – применение СНЭ в ЕЭС на стороне крупной энергетики и сетевого комплекса, в том числе на объектах сетевой инфраструктуры и в сферах, в которых в настоящее время используются включенные в ЕЭС генераторы. Годовой объем глобального рынка систем такого типа можно оценить к 2025 году в 18,3 млрд долл. США.
Сектора этого рынка вместе сформируют к 2025 году потенциальный объем продаж в России на уровне 0,2-4 млрд долл. США в зависимости от масштабов применения СНЭ в ЕЭС и позволят достичь совокупного экономического эффекта, оцененного за вычетом инвестиций в 0,4-2,6 млрд долл. США. В число таких секторов войдут:
2.1. управление суточным графиком потребления и генерации, а также качеством электроэнергии;
2.2. вращающийся резерв энергосистемы и другие системные услуги.
3. Водородная энергетика – сфера применения специфического типа СНЭ (аккумуляция электроэнергии в водородном цикле) для экспортных поставок водородного топлива как превращенной формы электроэнергии (power-to-gas) на потенциальные рынки стран, развивающих программы перехода на водородный транспорт (HFCV) и водородную энергетику (Япония, Южная Корея, Германия, Великобритания, США).
ВАРИАНТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СНЭ В РОССИИ
Результаты инвестиционного моделирования различных проектов использования СНЭ в электроэнергетике показывают, что данные системы вплотную приблизились к той черте эффективности, за которой должен последовать резкий рост рынка и распространение практики их применения, поскольку в целом ряде случаев, не отличающихся уникальностью технико-экономических условий, моделирование показывает целесообразность и эффективность внедрения СНЭ. Перечислим лишь некоторые из этих кейсов.
Применение СНЭ для управления суточным профилем потребления электроэнергии в городском микрорайоне
Оценка, проведенная Фондом «ЦСР», показывает, что применение СНЭ для управления суточным профилем потребления объектами застройки городского микрорайона даже при действующих на рынке ценах на СНЭ и действующих правилах рынка электроэнергии и мощности позволяет при строительстве микрорайона с присоединенной мощностью порядка 8,5 МВт получить NPV инвестиционного проекта до 65 млн рублей на 10-летнем цикле (при ставке дисконтирования 10%).
В этом случае капитальная стоимость установки СНЭ мощностью порядка 1 МВт и емкостью 2 МВт∙ч составит 80 млн рублей. Эффекты применения СНЭ достигаются за счет:
снижения платы за потребленную электроэнергию благодаря уменьшению потребления в часы с высокой ценой на электроэнергию и росту потребления в часы с низкой ценой (ценового арбитража);
снижения платы за потребленную мощность благодаря уменьшению потребления в расчетные (пиковые) часы;
снижения платы за переданную мощность благодаря уменьшению потребления в расчетные (пиковые) часы;
снижения расходов на технологическое присоединение благодаря уменьшению необходимости в присоединенной мощности потребителей.
Применение СНЭ для замещения пиковой генерации
Модельные расчеты Фонда «ЦСР» показывают, что замещение пиковой генерации – мощностей, используемых лишь несколько десятков часов в год в силу особенностей профилей потребления электроэнергии – на СНЭ позволяет снизить затраты на строительство и эксплуатацию таких пиковых мощностей почти на 20%. Например, согласно данным Фонда «ЦСР», строительство СНЭ в энергосистеме Дальнего Востока обошлось бы в 3 млрд рублей и обеспечило NVP проекта (на 10-летнем цикле с 12% ставкой) на уровне 156 млн рублей.
Применение СНЭ для повышения КИУМ гибридных источников генерации в изолированных энергосистемах
Системы накопления электроэнергии могут быть применены в изолированных энергосистемах удаленных поселений, вахтовых поселков и объектов инженерной инфраструктуры для повышения эффективности использования объектов генерации. Кроме уже рассмотренного вопроса о снижении потребности в мощности собственных генераторов, применение СНЭ дает следующие полезные эффекты, приводящие к повышению совокупной эффективности работы энергосистемы и в результате – к снижению себестоимости электроэнергии для конечных потребителей:
- применение СНЭ совместно с ветровыми или ветро-дизельными генераторами, а также СЭС существенно повышает КИУМ генерации на ВИЭ за счет придания ей искусственной инерционности, возможности адаптивно подстраиваться под частые колебания скорости ветра или освещенности и, например, в большей степени использовать энергию ветра во время порывов и провалов (кратковременных скачков скорости);
- применение СНЭ совместно с дизель-генераторами значительно продлевает срок их межремонтной работы (ресурс мото-часов) за счет более стабильной нагрузки на дизель-генератор, всегда лежащей в интервале мощности и режимов работы последнего, при которых его ресурс и топливная эффективность максимальные;
- применение СНЭ в изолированной энергосистеме, основным источником энергии которой является ветро-дизельный генератор или сочетание СЭС и дизельного генератора, позволяет за счет повышения КИУМ существенно снизить время работы дизель-генератора, снижает расход топлива и позволяет повысить топливозамещение до 70%.
Эти и целый ряд других примеров модельных оценок и обоснования инвестиций показывают, что в действительности СНЭ в России уже сегодня являются вполне эффективным вариантом решения задач энергоснабжения с существенным потенциалом роста эффективности их применения – в первую очередь за счет возможности значительного удешевления СНЭ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Системы накопления электроэнергии – пионерская и принципиально новая для электроэнергетики группа технологий. Особенная ее новизна заключается в необычных и существенных возможностях трансформации электроэнергетики. | 
