Как системы хранения энергии обеспечивают арбитраж и участие рынка возобновляемой энергии

Возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и ветер, изменили глобальный энергетический ландшафт, предлагая путь к декарбонизированным электрическим сетям. Однако их неотъемлемая прерывистость - солнце не всегда светит, а ветер не всегда дует - создает значительные проблемы для поддержания последовательного, надежного энергоснабжения. Системы хранения энергии (ESS) появились в качестве критического средства для преодоления этих проблем, открывая полный потенциал возобновляемой генерации. Храня избыточную энергию в периоды высокой выработки и высвобождая ее, когда спрос или цены высоки, ESS позволяет производителям возобновляемой энергии перемещать производство во времени, участвовать в оптовых и вспомогательных рынках услуг и в конечном итоге улучшать экономику проектов, поддерживая стабильность сети. В этой статье исследуется, как системы хранения энергии делают возможным арбитраж и участие в рынке возобновляемых источников энергии, задействованные механизмы и развивающийся нормативный и технологический ландшафт, который ускоряет принятие во всем мире.

Что такое системы хранения энергии?

Системы хранения энергии - это технологии, которые захватывают энергию, произведенную в одно время для использования в более позднее время. В контексте возобновляемых источников энергии, ESS обычно хранит излишки электроэнергии, произведенной в периоды высокой солнечной или ветровой выработки. Сохраняемая энергия разряжается, когда производство падает или когда цены на электроэнергию более благоприятны. Общие типы хранения энергии включают:

• Литий-ионные батареи — доминирующая технология для кратковременного хранения (2-4 часа), широко используемая в коммунальных и замерных приложениях. Их снижение стоимости и улучшение срока службы сделали их выбором по умолчанию для интеграции с возобновляемыми источниками энергии.
• Потоковые батареи — такие как ванадий-редокс и цинк-бромин, предлагающие более длительную продолжительность (4-12 часов) и большую масштабируемость для сетевых приложений, хотя в настоящее время при более высокой капитальной стоимости.
• Накачанное гидрохранилище — самая зрелая крупномасштабная технология хранения, на долю которой приходится более 90% глобальной установленной мощности. В ней используются два резервуара на разных высотах; вода накачивается в гору, когда электричество дешево и высвобождается через турбины, когда это необходимо.
• Сжатое хранение энергии воздуха (CAES) — Хранит энергию, сжимая воздух в подземных пещерах; при высвобождении воздух расширяется через турбину для выработки электроэнергии. CAES может обеспечить 4-10 + часов хранения.
• Тепловое хранение — Хранит энергию в виде тепла или холода, часто используется в концентрированных солнечных электростанциях (ЦСП) с расплавленной солью для выработки электроэнергии после захода солнца.

По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), к 2023 году установленная в мире емкость аккумуляторов достигла примерно 28 ГВт, при этом прогнозы предполагают, что к 2030 году она превысит 500 ГВт (FLT:0) IRENA — Energy Storage ). Этот быстрый рост обусловлен в основном необходимостью интеграции переменных возобновляемых источников энергии и падением стоимости аккумуляторных батарей, которые с 2010 года упали более чем на 80%.

Концепция энергетического арбитража

Арбитраж энергии — это практика покупки или производства электроэнергии, когда цены низкие, а продажа или использование ее, когда цены высокие. На традиционных рынках электроэнергии цены колеблются в зависимости от спроса и предложения, часто следуя предсказуемым ежедневным моделям. Например, солнечные сети могут испытывать низкие или даже отрицательные оптовые цены в полдень, когда солнечная выработка достигает пика, в то время как цены растут ранним вечером, когда солнечная генерация снижается, а спрос остается высоким. Системы хранения энергии захватывают ценовой спред, заряжая в периоды низких цен и разряжая в периоды высоких цен.

Арбитраж возобновляемых источников энергии конкретно относится к способности возобновляемых генераторов вовремя продавать свою энергию. Без хранения солнечная электростанция должна продавать свою продукцию именно тогда, когда светит солнце, независимо от рыночных условий. При хранении солнечная электростанция может переносить часть своей генерации на часы с более высокими ценами, повышая доход. Эта способность трансформирует бизнес-кейс для солнечных и ветровых проектов, особенно на рынках, где тарифы на время использования или цены в реальном времени создают значительные внутридневные колебания цен.

Как ESS позволяет проводить арбитраж в области возобновляемой энергетики

Основной механизм прост: заряды ESS от возобновляемого источника (или сети), когда электричество в изобилии и дешево, и разряды, когда стоимость этого электричества самая высокая. Конкретная работа зависит от структуры рынка, технологии хранения и профиля возобновляемой генерации. Ключевые факторы включают:

• Прогнозирование и оптимизация программного обеспечения — Передовые системы управления используют прогнозы погоды, прогнозы рыночных цен и данные о состоянии зарядки, чтобы определить оптимальное время для зарядки и разрядки.
• Структуры тарифов на время использования (TOU) — Многие коммунальные предприятия и сетевые операторы предлагают тарифы TOU, которые явно поощряют перенос потребления или генерации в непиковые периоды. ESS позволяет владельцам возобновляемых источников энергии избегать периодов низкой стоимости и ориентироваться на окна высокой стоимости.
• Участие в рынках в дневное время и в режиме реального времени — В реструктурированных оптовых рынках электроэнергии операторы хранения могут предлагать свои мощности на рынках в дневное время, взимая плату или разрядка в определенные часы.
• Совместное размещение с возобновляемыми активами — Многие новые солнечные и ветровые проекты строятся наряду с аккумуляторными батареями (гибридными установками). Эта конфигурация позволяет частично «подтвердить» выход из возобновляемых источников энергии, что означает, что объединенная установка может доставлять диспетчерскую мощность, которая требует более высоких цен.

Финансовые выгоды от арбитража могут быть значительными. Исследование, проведенное Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL) в 2022 году, показало, что солнечная электростанция мощностью 100 МВт в сочетании с 4-часовой батареей может увеличить чистую прибыль на 15-30% по сравнению с солнечной электростанцией только в зависимости от рыночных условий (] NREL - Анализ хранения .

Преимущества арбитража с ESS

Расширение преимуществ, перечисленных в оригинальной статье:

Увеличивает рентабельность проектов в области возобновляемых источников энергии.] За счет повышения цен в часы пик ESS повышает внутреннюю норму прибыли (IRR) для солнечных, ветровых и гибридных установок. Это финансовое улучшение может сделать проекты жизнеспособными на рынках, где субсидии постепенно прекращаются, и проекты должны полагаться на доходы торговцев.

Улучшает стабильность и надежность сети. Хранение энергии действует как амортизатор на сетке. Когда возобновляемая генерация высока, хранилище поглощает избыточную мощность, которая в противном случае может вызвать перегрузку сети или потребовать сокращения. В периоды высокого спроса или внезапной потери генератора накопленная энергия может быть отправлена почти мгновенно, предотвращая отключения и колебания напряжения.

Снижает зависимость от пиковых установок на основе ископаемого топлива.] Пикерные установки, как правило, работающие на природном газе, вызываются в эксплуатацию только в часы высокого спроса. Они дороги в эксплуатации и выделяют значительные CO2 и загрязнители воздуха. Перемещая возобновляемую энергию в эти часы, ESS может вытеснить пиковую работу, сокращая выбросы и снижая системные затраты.

Поддерживает интеграцию более высоких уровней возобновляемой энергии в сеть. Сети с высоким проникновением возобновляемых источников сталкиваются с проблемами из-за перегенерации (в солнечные, ветреные периоды) и быстрого наращивания (когда солнце садится или ветер падает). ESS сглаживает эти колебания, позволяя системным операторам включать более переменную генерацию без ущерба для надежности.

Участие рынка и услуги сети

Помимо арбитража, системы хранения энергии предоставляют основные сетевые услуги, которые помогают поддерживать стабильное и надежное электроснабжение. На многих оптовых рынках эти услуги генерируют дополнительные потоки доходов, которые улучшают общую экономику ESS. Ключевые услуги включают:

• Регулирование частоты — Хранение может реагировать на отклонения частоты в миллисекундах путем впрыска или поглощения мощности. Эта услуга помогает держать частоту сетки в жестких границах (например, 60 Гц ± 0,05 Гц в США). Быстро реагирующие батареи идеально подходят для этой роли, часто получая более высокие доходы на МВт, чем один только энергетический арбитраж.
• Поддержка напряжения и реактивная мощность — Передовые системы хранения на основе инвертора могут поставлять или поглощать реактивную мощность для поддержания уровней напряжения, помогая предотвратить коллапс напряжения и улучшая качество питания.
• Запасы емкости и достаточность ресурсов — Хранение может быть заключено контрактом для обеспечения твердой мощности в периоды пикового спроса. На рынках емкости (например, PJM, ISO-NE, CAISO) ресурсы хранения могут претендовать на роль поставщиков емкости, получая платежи за то, что они доступны для разгрузки, когда это необходимо.
• Реакция спроса и пиковое бритье — Задний счетчик ESS может снизить пиковый спрос коммерческого или промышленного клиента, снизив плату за спрос на их коммунальные услуги. Агрегированное распределенное хранилище также может участвовать в программах реагирования на спрос, снижая нагрузку в критические моменты.
• Черный пуск и восстановление сети — Некоторые системы хранения оборудованы для перезапуска сети после отключения электроэнергии без внешнего питания, обеспечивая ценную услугу восстановления сети.

Укладка этих услуг — объединение энергетического арбитража с дополнительными услугами и стоимостью емкости — имеет важное значение для экономической жизнеспособности многих проектов хранения. Один МВт емкости батареи может получать доход от нескольких потоков, пока операционные графики не противоречат. Например, батарея может участвовать в регулировании частоты в течение части дня, а затем быть отправлена для пикового бритья вечером.

Регуляторные и рыночные рамки

Эффективное участие на рынке зависит от поддерживающих нормативных рамок, которые признают уникальные возможности ESS. Исторически хранение часто классифицировалось как генерация, передача или загрузка, но многие юрисдикции создали конкретные категории рынка, чтобы позволить хранению монетизировать весь спектр услуг. Ключевые разработки включают:

• ФЕРК приказ 841 (США) — Выданный в 2018 году, этот приказ требовал от всех независимых системных операторов (ISO) и региональных организаций по передаче (RTO) снять барьеры для участия ресурсов хранения электроэнергии в оптовых рынках энергии, мощности и вспомогательных услуг.
• Пакет чистых источников энергии Европейского союза – В законодательстве, принятом в 2018–2019 годах, были введены правила, позволяющие хранилищам участвовать в балансировке рынков и владеть и эксплуатировать хранилища без дискриминации.
• Конструкция рынка емкости – ISO, такие как PJM, NYISO и CAISO, разработали специальные правила для ресурсов хранения, которые должны квалифицироваться как емкость, включая требования к продолжительности (например, 4 часа непрерывного разряда при номинальной мощности).
• Реформа розничных тарифов — Для поощрения заурядного хранения регуляторы во многих штатах (например, Калифорния, Гавайи, Нью-Йорк) приняли чистые тарифы, ставки времени использования и структуры управления сборами спроса, которые поощряют самопотребление и пиковое бритье.

Несмотря на этот прогресс, нормативные барьеры сохраняются. Например, некоторые рынки по-прежнему ограничивают максимальное количество часов хранения, которые могут взиматься или разряжаться, налагают минимальные размеры ставок, которые исключают меньшие ресурсы, или не имеют четких правил агрегирования распределенного хранения. Продолжающаяся пропаганда отраслевых групп, таких как Ассоциация по хранению энергии (ESA) и Американская ассоциация по чистой энергии (ACP), продолжает добиваться более оптимизированного доступа к рынку (]ACP - Energy Storage .

Проблемы и перспективы будущего

Хотя перспективы накопления энергии в обеспечении возможности арбитража в области возобновляемых источников энергии и участия на рынке огромны, остается несколько проблем. Решение этих проблем будет иметь решающее значение для масштабирования развертывания ESS во всем мире.

Технологические вызовы

Ограничения по срокам службы — Большинство литий-ионных батарей предлагают 2-4 часа хранения при полной мощности. Хотя это охватывает многие ежедневные пики, для управления многодневными возобновляемыми затишьями или сезонными изменениями может потребоваться более длительное хранение (8-100 часов). Для заполнения этого пробела разрабатываются проточные батареи, гидроаккумуляторы и новые технологии, такие как батареи на железном воздухе, но они еще не конкурентоспособны по стоимости в масштабе.

Срок службы и деградация цикла — С каждым циклом заряда/разряда происходит ухудшение хранения аккумуляторов, особенно если цикл сильно цикличен. Системы, циклически сильно работающие для регулирования частоты, могут нуждаться в замене чаще, чем те, которые используются только для арбитража. Улучшенные химические системы и передовые системы управления батареями продлевают срок службы, но это остается фактором затрат.

Безопасность и соответствие нормативным требованиям — Масштабные установки аккумуляторов требуют строгих мер пожарной безопасности. Недавние инциденты с тепловым разрядом вызвали обеспокоенность, что привело к ужесточению кодов и стандартов. Производители инвестируют в более безопасные химические вещества (например, LFP) и надежные системы охлаждения.

Экономические и рыночные вызовы

Высокая авансовая стоимость — Несмотря на падение цен на аккумуляторы, общая установленная стоимость ESS в масштабе коммунальных услуг все еще может варьироваться от 200 до 500 долларов США / кВтч (в зависимости от продолжительности и конфигурации), что может еще не выпасть на рынках с низкими ценовыми спредами.

Неопределенность доходов — Арбитражные и вспомогательные доходы от услуг могут быть нестабильными и зависеть от рыночных правил и проникновения возобновляемых источников. Инвесторы могут требовать более высокую доходность для компенсации этого риска, замедляя развертывание.

Разрешение и задержки межсоединения — Очередь сетевых соединений для проектов хранения и гибридных проектов резко возросла во многих регионах, что привело к отставанию, которое может задержать проекты на годы.

Будущий прогноз

Траектория для хранения энергии является очень положительной. BloombergNEF прогнозирует, что глобальное развертывание систем хранения энергии достигнет 1000 ГВтч ежегодно к 2030 году, по сравнению с примерно 200 ГВтч в 2023 году (]BloombergNEF - Прогноз хранения энергии ).

• Продолжающееся снижение стоимости аккумуляторов — Ожидается, что к 2030 году цены на литий-ионные аккумуляторы упадут ниже 60 долларов США / кВт-ч, что сделает хранение конкурентоспособным с пикерами газа на 4-часовой период.
• Рост гибридных проектов по возобновляемым источникам энергии плюс хранение — на многих рынках США более 50% новых солнечных мощностей размещены совместно с хранением, тенденция, которая распространяется во всем мире.
• Новые технологии длительного хранения — Железно-воздушные, цинковые и механические хранилища (гравитация, сжатый воздух) вступают в демонстрационную фазу и могут разблокировать сезонное хранение.
• Цифровизация и оптимизация ИИ — алгоритмы машинного обучения улучшают прогнозы цен и стратегии диспетчеризации аккумуляторов, получая большую ценность от волатильных рынков.
• По мере того, как все больше регионов будут внедрять налоги на выбросы углерода или ограничения на торговлю, экономическое преимущество вытеснения ископаемой генерации с хранящимися возобновляемыми источниками энергии будет расти.