Економіка накопичення енергії: глобальна перспектива

Накопичення енергії стрімко трансформує світовий енергетичний ландшафт, пропонуючи рішення для проблем, пов'язаних з переривчастістю відновлюваних джерел енергії, та підвищуючи надійність електромереж. Розуміння економіки накопичення енергії є вирішальним для інвесторів, політиків та бізнесу. Ця стаття надає комплексний огляд економіки накопичення енергії з глобальної перспективи, охоплюючи ключові технології, фактори витрат, бізнес-моделі та політичні наслідки.

Що таке накопичення енергії та чому це важливо?

Накопичення енергії охоплює низку технологій, які дозволяють захоплювати енергію, вироблену в один час, і зберігати її для використання в інший час. Це включає:

• Акумуляторні сховища: Використання електрохімічних акумуляторів, таких як літій-іонні, свинцево-кислотні та проточні.
• Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС): Перекачування води вгору до резервуара та її випуск для виробництва електроенергії за потреби.
• Теплове накопичення енергії (TES): Зберігання енергії у вигляді тепла або холоду, часто з використанням води, розплавленої солі або інших матеріалів.
• Накопичення енергії у стисненому повітрі (CAES): Стиснення повітря та зберігання його в підземних кавернах, а потім випуск для приводу турбін.
• Механічні накопичувачі: Інші механізми, такі як маховики, що зберігають енергію через рух.

Важливість накопичення енергії полягає в його здатності:

• Забезпечувати більшу інтеграцію відновлюваної енергії: Долати переривчастий характер сонячної та вітрової енергії, роблячи їх більш надійними.
• Підвищувати стабільність мережі: Забезпечувати швидку реакцію на коливання частоти та просідання напруги, запобігаючи відключенням.
• Зменшувати піковий попит: Переносити споживання електроенергії з пікових періодів на непікові, знижуючи загальні витрати.
• Покращувати енергетичну безпеку: Забезпечувати резервне живлення під час надзвичайних ситуацій та зменшувати залежність від імпортованого палива.
• Створювати мікромережі та автономні системи: Забезпечувати енергією віддалені громади та критичну інфраструктуру незалежно від основної мережі.

Ключові технології та їхня економіка

Акумуляторні сховища

Акумуляторні сховища наразі є найбільш поширеною технологією накопичення енергії, особливо літій-іонні акумулятори. Їхніми перевагами є висока щільність енергії, швидкий час реакції та модульність. Однак акумуляторні сховища також мають обмеження, такі як відносно високі початкові витрати, обмежений термін служби та проблеми з безпекою.

Літій-іонні акумулятори

Літій-іонні акумулятори домінують на ринку завдяки своїй високій продуктивності. Вартість літій-іонних акумуляторів різко впала за останнє десятиліття завдяки досягненням у виробництві та матеріалознавстві. Це зниження вартості зробило акумуляторні сховища економічно вигідними для все більшої кількості застосувань.

Фактори вартості:

• Виробництво елементів: Вартість сировини (літій, кобальт, нікель), виробничих процесів та контролю якості.
• Система керування акумулятором (BMS): Вартість електроніки та програмного забезпечення для моніторингу та контролю продуктивності акумулятора.
• Інвертор та система перетворення потужності (PCS): Вартість перетворення постійного струму від акумулятора на змінний для використання в мережі.
• Витрати на встановлення: Робоча сила, дозволи та підготовка майданчика.
• Експлуатація та технічне обслуговування (O&M): Витрати, пов'язані з моніторингом, обслуговуванням та заміною акумуляторів.

Приведена вартість зберігання (LCOS): LCOS є поширеним показником для порівняння економіки різних технологій накопичення енергії. Вона представляє собою загальну вартість системи зберігання за весь термін служби, поділену на загальну кількість енергії, відданої за цей термін. LCOS для літій-іонних акумуляторів значно варіюється залежно від розміру проєкту, місцезнаходження та умов експлуатації. Однак вона загалом знижується в міру вдосконалення технології та падіння витрат.

Приклад: Проєкт літій-іонного акумуляторного сховища потужністю 100 МВт у Каліфорнії може мати LCOS від 150 до 250 доларів США за МВт·год, залежно від конкретних деталей проєкту.

Інші акумуляторні технології

Інші акумуляторні технології, такі як свинцево-кислотні, проточні та натрій-іонні акумулятори, також конкурують на ринку накопичення енергії. Кожна технологія має свої переваги та недоліки з точки зору вартості, продуктивності та терміну служби.

• Свинцево-кислотні акумулятори: Зріла технологія з нижчими початковими витратами, ніж літій-іонні, але з меншою щільністю енергії та коротшим терміном служби.
• Проточні батареї: Довгий термін служби та хороша масштабованість, але менша щільність енергії та вищі початкові витрати. Ванадієві окислювально-відновні проточні батареї (VRFB) є поширеним типом проточних батарей.
• Натрій-іонні акумулятори: Потенційно дешевші за літій-іонні через велику поширеність натрію, але все ще на ранніх стадіях розробки.

Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС)

Гідроакумулюючі електростанції є найстарішою та найбільш зрілою технологією накопичення енергії, на яку припадає більшість встановленої потужності сховищ у світі. ГАЕС передбачає перекачування води з нижнього резервуара до верхнього в періоди низького попиту, а потім випуск води для виробництва електроенергії в періоди високого попиту.

Переваги:

• Великий масштаб: Можуть зберігати великі обсяги енергії протягом тривалого часу.
• Довгий термін служби: Можуть працювати 50 років і більше.
• Зріла технологія: Добре зарекомендована технологія з тривалою історією експлуатації.

Недоліки:

• Залежність від місцевості: Вимагає відповідного рельєфу та водних ресурсів.
• Високі початкові витрати: Будівництво резервуарів та насосних станцій може бути дорогим.
• Вплив на довкілля: Може впливати на водні екосистеми та якість води.

Фактори вартості:

• Будівельні витрати: Земляні роботи, будівництво дамб, прокладання трубопроводів та будівництво електростанції.
• Насосне обладнання: Вартість насосів, турбін та генераторів.
• Придбання землі: Вартість придбання землі для резервуарів та споруд.
• Зменшення впливу на довкілля: Витрати, пов'язані зі пом'якшенням впливу на навколишнє середовище.

LCOS: LCOS для ГАЕС зазвичай нижча, ніж для акумуляторних сховищ, особливо для великомасштабних проєктів. Однак високі початкові витрати та вимоги до місцевості можуть обмежувати їх розгортання.

Приклад: Проєкт ГАЕС потужністю 1 ГВт у Швейцарських Альпах може мати LCOS від 50 до 100 доларів США за МВт·год.

Теплове накопичення енергії (TES)

Теплове накопичення енергії зберігає енергію у вигляді тепла або холоду. TES може використовуватися для різноманітних застосувань, включаючи централізоване тепло- та холодопостачання, промислові процеси та системи ОВК (опалення, вентиляція та кондиціонування повітря) в будівлях.

Типи TES:

• Накопичення явної теплоти: Зберігання енергії шляхом зміни температури матеріалу (наприклад, води, каміння або ґрунту).
• Накопичення прихованої теплоти: Зберігання енергії шляхом зміни фази матеріалу (наприклад, танення льоду або затвердіння солі).
• Термохімічне накопичення: Зберігання енергії шляхом розриву та утворення хімічних зв'язків.

Переваги:

• Нижча вартість: Може бути дешевшим за акумуляторні сховища, особливо для великомасштабних застосувань.
• Висока ефективність: Може досягати високої ефективності накопичення енергії.
• Універсальність: Може використовуватися для різноманітних застосувань.

Недоліки:

• Нижча щільність енергії: Вимагає більших обсягів для зберігання, ніж акумуляторні сховища.
• Обмежена географічна застосовність: Деякі технології TES найкраще підходять для певних кліматичних умов.

Фактори вартості:

• Накопичувальне середовище: Вартість матеріалу, що використовується для зберігання енергії (наприклад, вода, розплавлена сіль або фазоперехідні матеріали).
• Резервуар або контейнер для зберігання: Вартість резервуара або контейнера, що використовується для утримання накопичувального середовища.
• Теплообмінники: Вартість теплообмінників, що використовуються для передачі тепла в систему зберігання та з неї.
• Ізоляція: Вартість ізоляції для мінімізації втрат тепла.

LCOS: LCOS для TES значно варіюється залежно від технології та застосування. Однак вона може бути конкурентоспроможною з іншими технологіями накопичення енергії, особливо для великомасштабних проєктів.

Приклад: Система централізованого теплопостачання з використанням накопичення гарячої води в Скандинавії може мати LCOS від 40 до 80 доларів США за МВт·год.

Накопичення енергії у стисненому повітрі (CAES)

Накопичення енергії у стисненому повітрі (CAES) зберігає енергію шляхом стиснення повітря та зберігання його в підземних кавернах або резервуарах. Коли потрібна енергія, стиснене повітря випускається для приводу турбін та виробництва електроенергії.

Типи CAES:

• Адіабатична CAES: Тепло, що утворюється під час стиснення, зберігається і повторно використовується для нагрівання повітря перед розширенням, що підвищує ефективність.
• Діабатична CAES: Тепло, що утворюється під час стиснення, виділяється в атмосферу, що вимагає використання палива для нагрівання повітря перед розширенням.
• Ізотермічна CAES: Тепло відводиться під час стиснення та додається під час розширення, мінімізуючи зміни температури та покращуючи ефективність.

Переваги:

Великомасштабна потужність: Підходить для зберігання величезних обсягів енергії.

Довгий термін служби: Може працювати кілька десятиліть.

Недоліки:

• Географічні обмеження: Вимагає відповідних геологічних утворень для підземного зберігання (наприклад, соляні каверни, виснажені газові родовища).
• Діабатична CAES має нижчу ефективність через втрати тепла.
• Високі початкові капітальні витрати.

Фактори вартості:

• Геологічна розвідка та розробка: Виявлення та підготовка відповідних підземних сховищ.
• Компресори та турбіни: Високопродуктивні повітряні компресори та розширювальні турбіни.
• Теплообмінники (для адіабатичної та ізотермічної CAES): Пристрої для ефективного зберігання та передачі тепла.
• Будівництво та інфраструктура: Будівництво електростанції та підключення до мережі.

LCOS: LCOS для CAES значно варіюється залежно від типу CAES, геологічних умов та масштабу проєкту. Адіабатична та ізотермічна CAES, як правило, мають нижчу LCOS порівняно з діабатичною CAES через вищу ефективність.

Приклад: Запропонований проєкт адіабатичної CAES у Великій Британії може мати LCOS від 80 до 120 доларів США за МВт·год.

Бізнес-моделі для накопичення енергії

З'явилося кілька бізнес-моделей для накопичення енергії, кожна з яких орієнтована на різні ринкові можливості та потреби клієнтів.

• Послуги для мережі: Надання послуг для електромережі, таких як регулювання частоти, підтримка напруги та резерви потужності.
• Згладжування піків: Зменшення пікового попиту на електроенергію для комерційних та промислових споживачів, що знижує їхні витрати на енергію.
• Накопичення за лічильником (Behind-the-Meter): Поєднання сховища з локальною генерацією відновлюваної енергії (наприклад, сонячними панелями) для забезпечення резервного живлення та зменшення рахунків за енергію.
• Мікромережі: Забезпечення енергією віддалених громад та критичної інфраструктури за допомогою поєднання відновлюваної енергії та сховищ.
• Енергетичний арбітраж: Купівля електроенергії за низькими цінами в непікові години та продаж за високими цінами в пікові години.
• Підтримка зарядки електромобілів (EV): Розгортання накопичувачів енергії для підтримки інфраструктури швидкої зарядки електромобілів та пом'якшення впливу на мережу.

Приклад: В Австралії накопичувачі енергії часто поєднують з сонячними панелями на дахах, щоб забезпечити домогосподарствам більшу енергетичну незалежність та зменшити їхню залежність від мережі. Ця бізнес-модель стимулюється високими цінами на електроенергію та щедрими державними пільгами.

Політичні та регуляторні рамки

Державна політика та регулювання відіграють вирішальну роль у формуванні економіки накопичення енергії. Політики, що підтримують накопичення енергії, включають:

• Інвестиційні податкові кредити (ITC): Надання податкових кредитів на інвестиції в проєкти накопичення енергії.
• «Зелені» тарифи (Feed-in Tariffs, FITs): Гарантування фіксованої ціни на електроенергію, вироблену з використанням накопичувачів.
• Мандати на накопичення енергії: Вимога до енергокомпаній закуповувати певний обсяг потужностей для накопичення енергії.
• Ініціативи з модернізації мережі: Інвестування в інфраструктуру мережі для підтримки інтеграції накопичувачів енергії.
• Ціноутворення на вуглець: Встановлення ціни на викиди вуглецю, що робить відновлювану енергію та накопичувачі більш конкурентоспроможними.

Регуляторні питання, які потребують вирішення, включають:

• Визначення накопичення енергії: Класифікація накопичувачів енергії як активів генерації або передачі, що може вплинути на їхню правомочність на отримання пільг та участь у ринку.
• Правила участі на ринку: Забезпечення того, щоб накопичувачі енергії могли повноцінно брати участь в оптових ринках електроенергії та отримувати справедливу компенсацію за свої послуги.
• Стандарти приєднання до мережі: Спрощення процесу приєднання проєктів накопичення енергії до мережі.
• Стандарти безпеки: Розробка стандартів безпеки для систем накопичення енергії для захисту здоров'я населення та навколишнього середовища.

Приклад: Європейський Союз встановив амбітні цілі щодо відновлюваної енергії та накопичення енергії та впроваджує політики для підтримки їх розгортання. Це включає фінансування досліджень та розробок, а також регуляторні рамки, що заохочують інтеграцію сховищ в мережу.

Фінансування проєктів з накопичення енергії

Фінансування проєктів з накопичення енергії може бути складним через відносно високі початкові витрати та мінливий регуляторний ландшафт. Поширені механізми фінансування включають:

• Проєктне фінансування: Боргове фінансування, забезпечене активами та доходами проєкту.
• Венчурний капітал: Інвестиції в акціонерний капітал компаній з накопичення енергії на ранніх стадіях.
• Приватний капітал: Інвестиції в акціонерний капітал більш зрілих компаній з накопичення енергії.
• Державні гранти та позики: Фінансування, що надається державними установами для підтримки проєктів з накопичення енергії.
• Корпоративне фінансування: Фінансування, що надається великими корпораціями для інвестування в накопичення енергії.

Ключові фактори, що впливають на вартість капіталу для проєктів з накопичення енергії, включають:

• Ризик проєкту: Сприйнятий ризик, пов'язаний з проєктом, включаючи технологічний ризик, регуляторний ризик та ринковий ризик.
• Кредитоспроможність позичальника: Фінансова стійкість компанії або організації, що реалізує проєкт.
• Відсоткові ставки: Чинні відсоткові ставки на ринку.
• Термін позики: Тривалість терміну позики.

Приклад: Пенсійні фонди та інституційні інвестори все більше зацікавлені в інвестуванні в проєкти з накопичення енергії через їхній потенціал для довгострокових, стабільних доходів. Це збільшення інвестицій допомагає знизити вартість капіталу для накопичення енергії.

Майбутні тенденції в економіці накопичення енергії

Очікується, що економіка накопичення енергії продовжить покращуватися в найближчі роки, що зумовлено кількома ключовими тенденціями:

• Зниження вартості акумуляторів: Постійні досягнення в технології та виробництві акумуляторів, як очікується, ще більше знизять їх вартість.
• Збільшення масштабу розгортання: У міру розгортання більшої кількості проєктів з накопичення енергії економія на масштабі призведе до зниження витрат.
• Покращення продуктивності: Поточні дослідження та розробки спрямовані на покращення продуктивності та терміну служби систем накопичення енергії.
• Стандартизація продуктів та послуг: Стандартизація зменшить витрати та покращить взаємодію.
• Інноваційні бізнес-моделі: З'являються нові бізнес-моделі, які можуть розкрити додаткову цінність від накопичення енергії.

Нові тенденції:

• Твердотільні акумулятори: Пропонують покращену безпеку та вищу щільність енергії порівняно з традиційними літій-іонними акумуляторами.
• Мережеутворюючі інвертори: Дозволяють накопичувачам енергії ефективніше надавати послуги зі стабілізації мережі.
• Технологія Vehicle-to-grid (V2G): Використання акумуляторів електромобілів для надання послуг мережі.
• Штучний інтелект та машинне навчання: Оптимізація роботи накопичувачів енергії та прогнозування попиту на енергію.

Висновок

Накопичення енергії — це сфера, що швидко розвивається, і має значний потенціал для трансформації світового енергетичного ландшафту. Розуміння економіки накопичення енергії є вирішальним для прийняття обґрунтованих інвестиційних рішень та розробки ефективної політики. У міру розвитку технологій та подальшого зниження витрат накопичення енергії готове відігравати все більш важливу роль у створенні чистішого, надійнішого та доступнішого енергетичного майбутнього.

Ця стаття надала комплексний огляд економіки накопичення енергії, охоплюючи ключові технології, фактори витрат, бізнес-моделі та політичні наслідки з глобальної перспективи. Для зацікавлених сторін важливо бути в курсі останніх подій у цій динамічній галузі, щоб скористатися можливостями та вирішити проблеми, пов'язані з накопиченням енергії.