07/05/2024
0Они поставляют солнечную энергию после наступления темноты в Калифорнии и помогают стабилизировать сети в других штатах. И технология быстро расширяется.
Калифорния получает больше электроэнергии от солнца, чем любой другой штат. У него также есть проблема со временем: солнечная энергия в изобилии в течение дня, но исчезает к вечеру, когда люди возвращаются домой с работы, а спрос на электроэнергию резко возрастает. Чтобы восполнить этот пробел, энергетические компании, как правило, сжигают больше ископаемого топлива, такого как природный газ.
Сейчас ситуация меняется. С 2020 года в Калифорнии установлено больше гигантских батарей, чем где-либо в мире, кроме Китая. Они могут поглощать избыточную солнечную энергию в течение дня и хранить ее для использования, когда стемнеет.
Эти батареи играют ключевую роль в электросети Калифорнии, частично заменяя ископаемое топливо в вечернее время. Например, в период с 19:00 до 22:00 30 апреля батареи обеспечили более одной пятой электроэнергии в Калифорнии и за несколько минут выдали 7046 мегаватт электроэнергии, что сродни мощности семи крупных ядерных реакторов.
По всей стране энергетические компании все чаще используют гигантские батареи размером с морские контейнеры, чтобы решить самый большой недостаток возобновляемых источников энергии: тот факт, что ветер и солнце не всегда доступны.
«То, что происходит в Калифорнии, является проблеском того, что может произойти с другими сетями в будущем», — сказала Хелен Коу, глава отдела анализа электроэнергии в США в исследовательской фирме BloombergNEF. «Аккумуляторы быстро переходят от этих нишевых применений к перемещению больших объемов возобновляемой энергии в периоды пикового спроса».
За последние три года емкость аккумуляторных батарей в энергосистемах страны выросла в десять раз, до 16 000 мегаватт. Ожидается, что в этом году он снова почти удвоится, причем наибольший рост будет наблюдаться в Техасе, Калифорнии и Аризоне.
В большинстве сетевых батарей используется литий-ионная технология, аналогичная батареям в смартфонах или электромобилях. По мере того, как индустрия электромобилей расширялась за последнее десятилетие, стоимость аккумуляторов упала на 80 процентов, что сделало их конкурентоспособными для крупномасштабных накопителей энергии. Правительственные мандаты и субсидии также стимулировали экономический рост.
По мере того, как батареи получают широкое распространение, энергетические компании используют их новыми способами, такими как управление большими колебаниями в производстве электроэнергии на солнечных и ветряных электростанциях, уменьшение заторов на линиях электропередач и помощь в предотвращении отключений электроэнергии во время палящей жары.
В Калифорнии, которая поставила перед собой амбициозные цели по борьбе с изменением климата, политики надеются, что сетевые батареи помогут штату получать 100 процентов электроэнергии из безуглеродных источников к 2045 году. В то время как штат по-прежнему сильно зависит от природного газа, который вносит значительный вклад в глобальное потепление, батареи начинают съедать рынок ископаемого топлива. Государственные регулирующие органы планируют почти утроить емкость аккумуляторов к 2035 году.
«У накопителей энергии светлое будущее», — сказал Андрес Глуски, исполнительный директор AES Corporation, одной из крупнейших в мире энергетических компаний. «Если вы хотите, чтобы в сети было больше возобновляемых источников энергии, вам нужно больше батарей. Иначе ничего не выйдет».
Как батареи работают в сети сегодня
Строящееся хранилище аккумуляторных батарей в Менифи, штат Калифорния, в марте. Ожидается, что участок площадью 43 акра (17 га) станет самым большим в штате, когда он будет завершен.Майк Блейк/Reuters
Когда в 2010-х годах энергетические компании впервые начали подключать батареи к сети, они в основном использовали их для сглаживания небольших сбоев в потоке электроэнергии, скажем, в случае неожиданного отключения электростанции. Многие операторы аккумуляторов по-прежнему получают большую часть своего дохода, предоставляя эти «вспомогательные услуги».
Но энергетические компании также используют батареи для участия в торговле: заряжаются, когда электричества много и дешево, а затем продают электроэнергию в сеть, когда поставки электроэнергии более ограничены и дороги.
В Калифорнии цены на электроэнергию часто падают около полудня, когда штат производит больше солнечной энергии, чем ему нужно, особенно весной, когда кондиционеры используются редко. Затем цены взлетают вечером, когда солнечная энергия исчезает, и операторам сетей приходится увеличивать выработку на газовых электростанциях или гидроэлектростанциях, чтобы компенсировать это.
В настоящее время в Калифорнии имеется 10 000 мегаватт аккумуляторных батарей в сети, что достаточно для питания 10 миллионов домов в течение нескольких часов. Эти батареи «способны очень эффективно управлять вечерним подъемом, когда солнечная энергия снижается, а потребительский спрос растет», — сказал Джон Фиппс, исполнительный директор по сетевым операциям Калифорнийского независимого системного оператора, который контролирует энергосистему штата.
Батареи также могут помочь энергосистеме Калифорнии справиться с нагрузками, вызванными аномальной жарой и лесными пожарами, сказал г-н Фиппс. «Прошлым летом это внесло некоторые изменения», — сказал он. «Мы смогли встретить дни высокой нагрузки и дни лесных пожаров, когда мы могли потерять некоторые линии электропередач».
В Техасе батареи по-прежнему в основном используются для предоставления вспомогательных услуг, стабилизируя сеть от неожиданных сбоев. Техас также в большей степени, чем Калифорния, зависит от энергии ветра, которая колеблется менее предсказуемыми моделями.
Но Техас быстро догоняет Калифорнию в солнечной энергетике, и батареи все чаще помогают с вечерними пиками. 28 апреля солнце садилось как раз в тот момент, когда мощность ветра была неожиданно низкой, и многие угольные и газовые электростанции были отключены на ремонт. В какой-то момент батареи обеспечили 4 процента электроэнергии в Техасе, чего было достаточно, чтобы обеспечить энергией миллион домов. Прошлым летом батареи помогли предотвратить вечерние отключения электроэнергии, обеспечив дополнительную мощность во время рекордной жары.
Эти два штата по-разному строили свои аккумуляторные парки. В Калифорнии толчком послужили правительственные распоряжения: в 2019 году регулирующие органы были обеспокоены тем, что слишком много старых газовых электростанций закрываются, рискуя отключениями электроэнергии, и приказали коммунальным предприятиям быстро установить тысячи мегаватт хранилищ.
В Техасе доминируют рыночные силы. Дерегулируемая электроэнергетическая система штата позволяет ценам резко колебаться, поднимаясь до 5000 долларов за мегаватт-час во время острого дефицита. Это делает выгодным для разработчиков аккумуляторов использование преимуществ скачков напряжения, например, в местах, где линии электропередач периодически засоряются.
«Везде, где, по нашему мнению, рынок станет напряженным, вы можете установить батареи и выровнять ситуацию», — сказала Стефани Смит, главный операционный директор Eolian, разработчика аккумуляторов. «Затем мы весь день делаем ставки на то, когда заряжать и разряжать».
Одна батарея, например, находится недалеко от Форт-Уэрта, поглощая избыточную энергию ветра из Западного Техаса в ночное время, когда она никому не нужна, и подавая ее в сеть, когда спрос резко возрастает.
За ними следуют и другие штаты. В Аризоне и Джорджии коммунальные предприятия планируют установить тысячи мегаватт аккумуляторных батарей, чтобы помочь справиться с растущим спросом со стороны центров обработки данных и заводов. Помогает то, что батареи могут быть быстро развернуты, сказал Аарон Митчелл, вице-президент по планированию и ценообразованию в Georgia Power.
Тем не менее, отрасль по-прежнему сталкивается с препятствиями. Литий-ионные батареи легко воспламеняются, и хотя операторы предприняли шаги по снижению риска возгорания, некоторые общины выступают против проектов на своих задних дворах. Большинство аккумуляторов по-прежнему поставляются из Китая, что делает их уязвимыми для торговых споров. В Техасе государственный фонд для субсидирования газовых заводов может подорвать бум аккумуляторов. В других штатах сложные правила иногда не позволяют коммунальным предприятиям добавлять накопители энергии.
«Из-за того, что эти ресурсы хранения являются такими новыми, правила все еще наверстывают упущенное», — сказала Натали Макинтайр, которая работает над вопросами сетей в Совете по защите природных ресурсов, экологической группе.
Могут ли сетевые батареи помочь в борьбе с изменением климата?
Ветряные турбины возле Суитуотера, штат Техас. По всей стране аккумуляторные батареи используются для устранения самой большой слабости возобновляемых источников энергии: того факта, что ветер и солнце не всегда доступны.Тамир Калифа для «Нью-Йорк Таймс»
Сетевые батареи могут быть полезным инструментом для сокращения выбросов, вызывающих потепление планеты, говорят эксперты, хотя они все еще нуждаются в дальнейшем прогрессе с точки зрения затрат, технологий и способов их использования.
Согласно одному анализу, в Техасе многие батареи сегодня на самом деле увеличивают выбросы углекислого газа. Это связано с тем, что операторы сосредоточены на максимизации доходов и иногда используют угольную или газовую энергию.
«Эти батареи обладают огромной способностью сокращать выбросы углекислого газа, но для этого им нужны правильные стимулы», — сказала Эмма Конет, соучредитель TierraClimate, стартапа, работающего над тем, чтобы помочь батареям зарабатывать деньги за сокращение выбросов.
В Калифорнии, напротив, батареи, похоже, сокращают выбросы от ископаемого топлива. Потребление газа в штате в апреле упало до семилетнего минимума. «Мы пришли к выводу, что батареи вытесняют природный газ, когда солнечная генерация увеличивается и уменьшается каждый день», — сказал Макс Кантер, исполнительный директор компании Grid Status, занимающейся отслеживанием данных об электроэнергии.
Тем не менее, Калифорния по-прежнему получает примерно 40 процентов электроэнергии из природного газа, и нынешним аккумуляторным технологиям может быть трудно заменить все это. Один из анализов, проведенный BloombergNEF, показал, что солнечная энергия и батареи могут быть экономически эффективной альтернативой небольшим газовым электростанциям, которые включаются только тогда, когда спрос резко возрастает. Но батареи остаются слишком дорогими, чтобы заменить многие из более крупных газовых электростанций, которые обеспечивают более стабильную энергию днем и ночью.
«Вы не обязательно должны строить систему, в которой у вас есть батареи, которые будут поглощать каждый мегаватт-час, потому что это довольно дорогая система», — сказала Мередит Фоули, экономист из Калифорнийского университета в Беркли.
Современные литий-ионные аккумуляторы могут обеспечивать питание только в течение двух-четырех часов, прежде чем потребуется подзарядка. Если затраты продолжат падать, компании, производящие аккумуляторы, могут увеличить этот срок до восьми или десяти часов (это вопрос добавления большего количества аккумуляторных батарей), но может быть нерентабельно выходить далеко за эти пределы, сказал Нейт Блэр, эксперт по хранению энергии в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.
Это означает, что могут потребоваться дополнительные технологии длительного хранения. Если Калифорния хочет в значительной степени полагаться на возобновляемые источники энергии, ей придется иметь дело с недельными периодами, когда нет ветра и мало солнца. Еще одна проблема: летом доступно гораздо больше солнечной энергии, чем зимой, и сегодня ни одна батарея не может хранить электроэнергию в течение нескольких месяцев, чтобы справиться с этими сезонными различиями.
Некоторые компании ищут решения. В Сакраменто стартап под названием ESS строит «проточные» батареи, которые накапливают энергию в жидких электролитах и могут работать 12 часов и дольше. Другой стартап, Form Energy, строит 100-часовую железо-воздушную батарею. Этим идеям придется конкурировать с альтернативами, такими как ядерная энергетика, передовая геотермальная энергия или даже использование «зеленого» водорода для хранения электроэнергии.
Регулирующие органы Калифорнии говорят, что к середине века им может потребоваться в пять раз больше емкости для хранения данных, даже если неясно, какие технологии будут преобладать.
«Мы только в начале пути», — сказал г-н Фиппс из Калифорнийского независимого системного оператора.
Росс Д. Франклин/Ассошиэйтед Пресс
Примечания к данным
На верхнем графике диаграммы показывают среднесуточную выработку электроэнергии по видам топлива с пятиминутным шагом за апрель. На графиках показан импорт из других регионов, а также время, когда энергия от аккумуляторов разряжается в сеть, но не показана зарядка аккумуляторов или экспорт электроэнергии. Данные отражают генерацию в масштабах коммунальных предприятий и не включают «замерзшие» источники, такие как солнечные панели на крышах. Изменения погоды не учитываются.
В декабре 2023 года методика Независимого системного оператора Калифорнии по подсчету ресурсов для генерации природного газа изменилась. До этого организация немного завышала газ «в диапазоне нескольких сотен мегаватт», по словам пресс-секретаря.
Среднее время восхода и захода солнца показано на графиках.
