Теплоакумулятори - оптимальне рішення для підвищення гнучкості енергосистеми України

Енергетична галузь стикається з викликами, пов'язаними з інтеграцією зростаючого обсягу переривчастої генерації від вітрових та сонячних електростанцій (VRE). Оскільки сонячне випромінювання і швидкість вітру непередбачувано змінюються, від традиційних атомних та теплових електростанцій вимагається швидко збільшувати і знижувати потужність, у багатьох випадках навіть за межами їх проектних діапазонів.

В Україні, де доля VRE зростає, це призвело до виникнення так званого "зелено-вугільного парадоксу". Його суть полягає у тому, що через негнучкість електросистеми подальше будівництво нових потужностей VRE почало призводити до потреби знижувати "чисту" атомну генерацію та збільшувати "брудну" вугільну генерацію для балансування всієї системи.

Тобто розвиток чистої генерації став призводити до підвищення викидів парникових газів від спалювання вугілля на ТЕС.

У той час багато хто звинувачував у створенні подібної ситуації одну велику приватну українську енергетичну компанію, яка з одного боку активно розвивала власне портфоліо VRE проектів, а з іншого – активно лобіювала балансування системи за рахунок вугільної генерації, де вона володіла всім ланцюжком виробництва - від видобутку вугілля до його спалювання на власних ТЕС.

А за період війни проблеми з балансуванням енергосистеми та її недостатньою гнучкістю стали особливо очевидними.

В останні роки у світі для вирішення зазначеної проблеми особлива увага приділяється будівництву теплоакумуляторів на існуючих АЕС та ТЕС, де первинно виробляється тепло, з якого потім виробляється електроенергія.

Перспективність цього напрямку в порівнянні з електричними акумуляторами в першу чергу продиктована 2-3 рази нижчою вартістю завдяки використанню більш доступних і дешевих матеріалів, таких як бетон, каміння та масло.

Ідея використання теплоакумуляторів очевидна – накопичувати енергію у вигляді тепла під час періодів низького попиту на електрику, а пізніше, коли це необхідно та економічно вигідно, заряджені теплоакумулятори можуть віддавати тепло для генерації додаткової потужності до базової електростанції.

Дослідження у Великобританії на АЕС потужністю 670 МВт показало, що за рахунок застосування теплоакумуляторів можливо без зміни режиму роботи станції під час пікового попиту збільшити максимальну сумарну потужність до 822 МВт, що на 23% вище за номінальну потужність, а також максимально знижувати потужність на 40%, тобто до 406 МВт під час періодів зниженого попиту.

Застосування теплоакумуляторів на українських АЕС та ТЕС, а також на ТЕЦ та підприємствах теплокоммуненерго може принести низку переваг.

По-перше, підвищення гнучкості роботи всієї енергосистеми дозволить більш ефективно інтегрувати VRE та знизити періоди її примусового обмеження.

По-друге, теплоакумулятори забезпечують більш стабільну роботу базової генерації та знижують витрати та знос обладнання від частих запусків та зупинок. По-третє, часто будівництво та використання теплоакумуляторів значно дешевше за будівництво нових об'єктів балансуючої генерації та/або акумуляторних батарей.

Паралельно розвивається технологія Power-to-Heat (P2H) – процес перетворення електричної енергії на теплову енергію з її подальшим використанням або зберіганням у теплоакумуляторах. Ця технологія активно розглядається як рішення щодо використання надлишкової електроенергії від VRE у періоди низького попиту.

У травні 2022 року роду американська Westinghouse Electric Company та Болгарський енергетичний холдинг (BEH) підписали Меморандум про взаєморозуміння щодо реалізації проекту двох насосних накопичувачів теплової енергії, які забезпечуватимуть 2 ГВт*год довгострокового стійкого зберігання енергії. Згідно з інформацією Westinghouse, вартість реалізації проекту буде на 40% нижче вартості Li-ion батарей за рахунок використання бетону, а приведена вартість зберігання (LCOS) становитиме до 65% від вартості Li-ion батарей.

Крім того, теплоакумулятори можуть сприяти розвитку сектора теплокомуненерго, забезпечуючи більш якісне та стабільне теплопостачання населення та підприємств.

ТЕЦ з теплоакумуляторами зможуть стати повноцінним учасником енергетичного ринку, утилізуючи зайву електроенергію від VRE у години мінімального попиту та мінімальних цін, а пізніше поставляючи її у вигляді тепла споживачам або вироблення електрики для продажу у мережу.

Загалом впровадження теплоакумуляторів в українську енергетичну систему може стати ключовим інструментом для підвищення гнучкості та ефективності роботи енергетичних існуючих об'єктів.

У довгостроковій перспективі це дозволить забезпечити більш стійке та надійне енергопостачання, а також забезпечити більш ефективну інтеграцію зростаючої часки VRE в загальну енергосистему країни.

Ця технологія доповнює весь набір доступних централізованих систем середньострокового зберігання енергії, поряд з механічними (насосні ГАЕС, системи зберігання на базі стиснутого повітря CAES ) та електрохімічними (Li-ion батареї та ін.).

Вона має низьку вартість будівництва та приведену вартість зберігання, а також дозволяє використовувати вже існуючу інфраструктуру АЕС та ТЕС.