Экономика хранения энергии: глобальная перспектива

Хранение энергии быстро преобразует глобальный энергетический ландшафт, предлагая решения проблем прерывистости, связанных с возобновляемыми источниками энергии, и повышая надежность сети. Понимание экономики хранения энергии имеет решающее значение как для инвесторов, так и для политиков, и для бизнеса. Эта статья предоставляет всеобъемлющий обзор экономики хранения энергии с глобальной точки зрения, охватывая ключевые технологии, факторы затрат, бизнес-модели и политические последствия.

Что такое хранение энергии и почему это важно?

Хранение энергии включает в себя ряд технологий, которые могут захватывать энергию, произведенную в одно время, и хранить ее для использования в более позднее время. Это включает в себя:

• Хранение в аккумуляторах: Использование электрохимических батарей, таких как литий-ионные, свинцово-кислотные и проточные батареи.
• Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС): Закачивание воды в гору в резервуар и выпуск ее для выработки электроэнергии при необходимости.
• Тепловое аккумулирование энергии (ТАЭ): Хранение энергии в виде тепла или холода, часто с использованием воды, расплавленной соли или других материалов.
• Аккумулирование энергии сжатым воздухом (CAES): Сжатие воздуха и хранение его в подземных пещерах, а затем выпуск для приведения в движение турбин.
• Механическое хранение: Другие механизмы, такие как маховики, которые хранят энергию за счет движения.

Важность хранения энергии вытекает из его способности:

• Обеспечивать большую интеграцию возобновляемой энергии: Преодолеть прерывистый характер солнечной и ветровой энергии, делая их более надежными.
• Повышать стабильность сети: Обеспечивать быструю реакцию на колебания частоты и провалы напряжения, предотвращая отключения электроэнергии.
• Снижать пиковый спрос: Смещать потребление электроэнергии с пиковых периодов на периоды низкого спроса, снижая общие затраты.
• Повышать энергетическую безопасность: Обеспечивать резервное питание во время чрезвычайных ситуаций и снижать зависимость от импортируемого топлива.
• Обеспечивать микросети и автономные системы: Питать удаленные населенные пункты и критическую инфраструктуру независимо от основной сети.

Ключевые технологии и их экономика

Хранение в аккумуляторах

Хранение в аккумуляторах в настоящее время является наиболее широко развернутой технологией хранения энергии, особенно литий-ионные аккумуляторы. Его преимущества включают высокую плотность энергии, быстрое время отклика и модульность. Однако хранение в аккумуляторах также имеет ограничения, такие как относительно высокие первоначальные затраты, ограниченный срок службы и проблемы безопасности.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы доминируют на рынке благодаря своим высоким характеристикам. Стоимость литий-ионных аккумуляторов резко упала за последнее десятилетие благодаря достижениям в производстве и материаловедении. Это снижение стоимости сделало хранение в аккумуляторах экономически выгодным для растущего числа приложений.

Факторы затрат:

• Производство ячеек: Стоимость сырья (литий, кобальт, никель), производственных процессов и контроля качества.
• Система управления батареями (BMS): Стоимость электроники и программного обеспечения для мониторинга и управления работой батареи.
• Инвертор и система преобразования энергии (PCS): Стоимость преобразования постоянного тока от батареи в переменный ток для использования в сети.
• Затраты на установку: Работа, разрешения и подготовка площадки.
• Эксплуатация и техническое обслуживание (O&M): Затраты, связанные с мониторингом, техническим обслуживанием и заменой батарей.

Удельная стоимость хранения (LCOS): LCOS — это широко используемый показатель для сравнения экономики различных технологий хранения энергии. Он представляет собой общую стоимость системы хранения за весь срок службы, деленную на общую энергию, отданную за весь срок ее службы. LCOS для литий-ионных аккумуляторов сильно варьируется в зависимости от размера проекта, местоположения и условий эксплуатации. Однако в целом он снижается по мере совершенствования технологий и снижения затрат.

Пример: Проект хранения литий-ионных аккумуляторов мощностью 100 МВт в Калифорнии может иметь LCOS в размере 150–250 долларов США за МВтч, в зависимости от конкретных деталей проекта.

Другие аккумуляторные технологии

Другие аккумуляторные технологии, такие как свинцово-кислотные, проточные аккумуляторы и натрий-ионные аккумуляторы, также конкурируют на рынке хранения энергии. Каждая технология имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения стоимости, производительности и срока службы.

• Свинцово-кислотные аккумуляторы: Зрелая технология с более низкими первоначальными затратами, чем у литий-ионных, но с меньшей плотностью энергии и меньшим сроком службы.
• Проточные аккумуляторы: Длительный срок службы и хорошая масштабируемость, но меньшая плотность энергии и более высокие первоначальные затраты. Ванадиевые редокс-проточные аккумуляторы (VRFB) являются распространенным типом проточного аккумулятора.
• Натрий-ионные аккумуляторы: Потенциально более низкая стоимость, чем у литий-ионных, из-за обилия натрия, но все еще на ранних стадиях разработки.

Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС)

Гидроаккумулирующая электростанция — старейшая и наиболее зрелая технология хранения энергии, на которую приходится большая часть установленной мощности хранения в мире. ГАЭС предполагает закачивание воды из нижнего резервуара в верхний резервуар в периоды низкого спроса, а затем сброс воды для выработки электроэнергии в периоды высокого спроса.

Преимущества:

• Большой масштаб: Может хранить большие объемы энергии в течение длительного времени.
• Длительный срок службы: Может прослужить 50 и более лет.
• Зрелая технология: Хорошо зарекомендовавшая себя технология с долгой историей.

Недостатки:

• Специфичность площадки: Требует подходящей топографии и водных ресурсов.
• Высокие первоначальные затраты: Строительство резервуаров и насосных установок может быть дорогостоящим.
• Воздействие на окружающую среду: Может повлиять на водные экосистемы и качество воды.

Факторы затрат:

• Затраты на строительство: Земляные работы, строительство плотин, прокладка трубопроводов и строительство электростанций.
• Насосное оборудование: Стоимость насосов, турбин и генераторов.
• Приобретение земли: Стоимость приобретения земли для резервуаров и сооружений.
• Смягчение воздействия на окружающую среду: Затраты, связанные со смягчением воздействия на окружающую среду.

LCOS: LCOS для ГАЭС, как правило, ниже, чем для хранения в аккумуляторах, особенно для крупномасштабных проектов. Однако высокие первоначальные затраты и требования к конкретной площадке могут ограничить ее развертывание.

Пример: Проект гидроаккумулирующей электростанции мощностью 1 ГВт в Швейцарских Альпах может иметь LCOS в размере 50–100 долларов США за МВтч.

Тепловое аккумулирование энергии (ТАЭ)

Тепловое аккумулирование энергии хранит энергию в виде тепла или холода. ТАЭ можно использовать для различных применений, включая централизованное отопление и охлаждение, промышленные процессы и системы отопления, вентиляции и кондиционирования зданий.

Типы ТАЭ:

• Аккумулирование явного тепла: Хранение энергии путем изменения температуры материала (например, воды, горных пород или почвы).
• Аккумулирование скрытого тепла: Хранение энергии путем изменения фазы материала (например, таяние льда или затвердевание соли).
• Термохимическое хранение: Хранение энергии путем разрыва и образования химических связей.

Преимущества:

• Более низкая стоимость: Может быть менее дорогим, чем хранение в аккумуляторах, особенно для крупномасштабных применений.
• Высокая эффективность: Может достигать высокой эффективности хранения энергии.
• Универсальность: Может использоваться для различных применений.

Недостатки:

• Меньшая плотность энергии: Требует больших объемов хранения, чем хранение в аккумуляторах.
• Ограниченная географическая применимость: Некоторые технологии ТАЭ лучше всего подходят для конкретных климатических условий.

Факторы затрат:

• Среда хранения: Стоимость материала, используемого для хранения энергии (например, вода, расплавленная соль или материалы для изменения фазового перехода).
• Резервуар или контейнер для хранения: Стоимость резервуара или контейнера, используемого для хранения среды хранения.
• Теплообменники: Стоимость теплообменников, используемых для передачи тепла в систему хранения и из нее.
• Изоляция: Стоимость изоляции для минимизации потерь тепла.

LCOS: LCOS для ТАЭ сильно варьируется в зависимости от технологии и применения. Однако он может быть конкурентоспособным с другими технологиями хранения энергии, особенно для крупномасштабных проектов.

Пример: Система централизованного теплоснабжения с использованием горячего водохранилища в Скандинавии может иметь LCOS в размере 40–80 долларов США за МВтч.

Аккумулирование энергии сжатым воздухом (CAES)

Аккумулирование энергии сжатым воздухом (CAES) хранит энергию путем сжатия воздуха и хранения его в подземных пещерах или резервуарах. Когда необходима энергия, сжатый воздух выпускается для приведения в движение турбин и выработки электроэнергии.

Типы CAES:

• Адиабатический CAES: Тепло, выделяемое во время сжатия, хранится и используется повторно для нагрева воздуха перед расширением, что повышает эффективность.
• Диабатический CAES: Тепло, выделяемое во время сжатия, высвобождается в атмосферу, что требует топлива для нагрева воздуха перед расширением.
• Изотермический CAES: Тепло удаляется во время сжатия и добавляется во время расширения, сводя к минимуму перепады температуры и повышая эффективность.

Преимущества:

• Большой масштаб: Подходит для хранения огромных объемов энергии.
• Длительный срок службы: Может работать в течение нескольких десятилетий.

Недостатки:

• Географические ограничения: Требует подходящих геологических образований для подземного хранения (например, соляных пещер, истощенных газовых месторождений).
• Диабатический CAES имеет более низкую эффективность из-за потерь тепла.
• Высокие первоначальные капитальные затраты.

Факторы затрат:

• Геологическая съемка и освоение: Выявление и подготовка подходящих площадок для подземного хранения.
• Компрессоры и турбины: Высокопроизводительные воздушные компрессоры и расширительные турбины.
• Теплообменники (для адиабатического и изотермического CAES): Устройства для эффективного хранения и передачи тепла.
• Строительство и инфраструктура: Строительство электростанции и подключение к сети.

LCOS: LCOS для CAES значительно варьируется в зависимости от типа CAES, геологических условий и масштаба проекта. Адиабатический и изотермический CAES, как правило, имеют более низкий LCOS по сравнению с диабатическим CAES из-за более высокой эффективности.

Пример: Предлагаемый проект адиабатического CAES в Великобритании может иметь LCOS в размере 80–120 долларов США за МВтч.

Бизнес-модели для хранения энергии

Появилось несколько бизнес-моделей для хранения энергии, каждая из которых нацелена на разные рыночные возможности и потребности клиентов.

• Услуги для сети: Предоставление услуг электрической сети, таких как регулирование частоты, поддержка напряжения и резервы мощности.
• Снижение пиковой нагрузки: Снижение пикового спроса на электроэнергию для коммерческих и промышленных потребителей, снижение их затрат на электроэнергию.
• Хранение за пределами счетчика: Объединение хранения с собственной выработкой возобновляемой энергии (например, солнечной фотоэлектрической) для обеспечения резервного питания и снижения счетов за электроэнергию.
• Микросети: Питание удаленных населенных пунктов и критической инфраструктуры с использованием комбинации возобновляемой энергии и хранения.
• Энергетический арбитраж: Покупка электроэнергии по низким ценам в часы низкого спроса и продажа ее по высоким ценам в часы пик.
• Поддержка зарядки электромобилей (EV): Развертывание накопителей энергии для поддержки инфраструктуры быстрой зарядки электромобилей и смягчения последствий для сети.

Пример: В Австралии хранение энергии часто сочетается с солнечной энергией на крышах, чтобы предоставить домохозяйствам большую энергетическую независимость и снизить их зависимость от сети. Эта бизнес-модель обусловлена высокими ценами на электроэнергию и щедрыми государственными стимулами.

Политическая и нормативная база

Государственная политика и нормативные акты играют решающую роль в формировании экономики хранения энергии. Политики, которые поддерживают хранение энергии, включают в себя:

• Налоговые льготы на инвестиции (ITC): Предоставление налоговых льгот на инвестиции в проекты хранения энергии.
• Тарифы на подачу электроэнергии (FIT): Гарантия фиксированной цены на электроэнергию, вырабатываемую за счет хранения энергии.
• Мандаты на хранение энергии: Требование к коммунальным предприятиям закупать определенный объем мощностей для хранения энергии.
• Инициативы по модернизации сети: Инвестирование в инфраструктуру сети для поддержки интеграции хранения энергии.
• Ценообразование на выбросы углерода: Установление цены на выбросы углерода, что делает возобновляемую энергию и хранение более конкурентоспособными.

Вопросы регулирования, которые необходимо решить, включают:

• Определение хранения энергии: Классификация хранения энергии либо как активов генерации, либо как активов передачи, что может повлиять на его право на получение стимулов и участие в рынке.
• Правила участия в рынке: Обеспечение того, чтобы хранение энергии могло в полной мере участвовать в оптовых рынках электроэнергии и получать справедливое вознаграждение за свои услуги.
• Стандарты межсоединений: Упрощение процесса межсоединения проектов хранения энергии с сетью.
• Стандарты безопасности: Разработка стандартов безопасности для систем хранения энергии для защиты здоровья населения и окружающей среды.

Пример: Европейский союз установил амбициозные цели в области возобновляемой энергии и хранения энергии и реализует политику для поддержки их развертывания. Это включает в себя финансирование исследований и разработок, а также нормативные рамки, которые поощряют интеграцию хранения в сеть.

Финансирование проектов хранения энергии

Финансирование проектов хранения энергии может быть сложной задачей из-за относительно высоких первоначальных затрат и меняющейся нормативной базы. Общие механизмы финансирования включают:

• Финансирование проектов: Долговое финансирование, обеспеченное активами и доходами проекта.
• Венчурный капитал: Инвестиции в акционерный капитал в компании хранения энергии на ранней стадии.
• Частный капитал: Инвестиции в акционерный капитал в более зрелые компании хранения энергии.
• Государственные гранты и кредиты: Финансирование, предоставляемое государственными учреждениями для поддержки проектов хранения энергии.
• Корпоративное финансирование: Финансирование, предоставляемое крупными корпорациями для инвестиций в хранение энергии.

Ключевые факторы, влияющие на стоимость капитала для проектов хранения энергии, включают:

• Риск проекта: Воспринимаемый риск, связанный с проектом, включая технологический риск, нормативный риск и рыночный риск.
• Кредитоспособность заемщика: Финансовая устойчивость компании или организации, осуществляющей проект.
• Процентные ставки: Преобладающие процентные ставки на рынке.
• Срок кредита: Продолжительность срока кредита.

Пример: Пенсионные фонды и институциональные инвесторы все больше заинтересованы в инвестициях в проекты хранения энергии из-за их потенциала для получения долгосрочной стабильной прибыли. Эти возросшие инвестиции помогают снизить стоимость капитала для хранения энергии.

Будущие тенденции в экономике хранения энергии

Ожидается, что экономика хранения энергии продолжит улучшаться в ближайшие годы благодаря нескольким ключевым тенденциям:

• Снижение затрат на аккумуляторы: Ожидается, что дальнейшие достижения в области аккумуляторных технологий и производства еще больше снизят затраты на аккумуляторы.
• Увеличение масштабов развертывания: По мере развертывания большего количества проектов по хранению энергии эффект масштаба будет снижать затраты.
• Улучшенная производительность: Продолжающиеся усилия по исследованиям и разработкам направлены на улучшение производительности и срока службы систем хранения энергии.
• Стандартизация продуктов и услуг: Стандартизация снизит затраты и улучшит функциональную совместимость.
• Инновационные бизнес-модели: Появляются новые бизнес-модели, которые могут раскрыть дополнительную ценность хранения энергии.

Новые тенденции:

• Твердотельные батареи: Обеспечение повышенной безопасности и более высокой плотности энергии по сравнению с традиционными литий-ионными батареями.
• Формирующие сеть инверторы: Позволяющие хранить энергию для более эффективного предоставления услуг по стабилизации сети.
• Технология «от транспортного средства к сети» (V2G): Использование аккумуляторов электромобилей для предоставления сетевых услуг.
• Искусственный интеллект и машинное обучение: Оптимизация работы хранилища энергии и прогнозирование потребности в энергии.

Заключение

Хранение энергии — это быстро развивающаяся область со значительным потенциалом для преобразования глобального энергетического ландшафта. Понимание экономики хранения энергии имеет решающее значение для принятия обоснованных инвестиционных решений и разработки эффективной политики. Поскольку технология развивается и затраты продолжают снижаться, хранение энергии призвано играть все более важную роль в создании более чистого, надежного и доступного энергетического будущего.

В этой статье представлен всеобъемлющий обзор экономики хранения энергии, охватывающий ключевые технологии, факторы затрат, бизнес-модели и политические последствия с глобальной точки зрения. Для заинтересованных сторон крайне важно быть в курсе последних событий в этой динамичной области, чтобы использовать возможности и решать проблемы, связанные с хранением энергии.