У батарей есть «грязный» секрет

Накопление энергии считается «зеленой» технологией. Но на самом деле она увеличивает выбросы углекислого газа.

Хранение энергии с помощью аккумуляторов или других способов, таких как перекачиваемая вода, сжатый воздух или расплавленная соль, воспринимается обычно как «зеленые» технологии, которая расширяют возможности возобновляемых источников энергии и сокращают парниковые газы.

Но хранение энергии имеет «грязный» секрет. То, как накопители энергии применяются сегодня, приводит к большему расходу энергии и увеличивает выбросы углекислого газа в атмосферу.

И это не связано с технологией. При стратегическом использовании накопителей энергии электрическая сеть становится более «гибкой», открывая возможности возобновляемых источников энергии и снижая уровень выбросов углекислого газа в окружающую среду.

Но только в том случае, если хранилище будет развернуто стратегически, чего обычно не происходит.

Само по себе накопление энергии не является «ни чистым, ни грязным» - оно нейтрально. Если директивные органы хотят использовать его в качестве инструмента, позволяющего получать экологически «чистую» энергию, то им необходимо осознавать особенности такой технологии и более разумно относиться к ее использованию.

Прогноз цен на литий-ионные батареи

Литий-ионные аккумуляторы станут очень дешевыми и очень распространенными.

Почему накопление энергии увеличивает выбросы.

Появляется много научных исследований в области аккумулирования энергии; одна из статей о последствиях выбросов написана Эриком Хиттингером из Рочестерского технологического института и Карнеги Меллон Инес Азеведо из журнала «Экологическая наука и технологии» (Environmental Science & Technology) .

Моделируя энергобалансы и цены на энергию по всей стране, Хиттингер и Азеведо определяют, что размещение хранилищ энергии увеличивает выбросы по всей территории США сегодня. Неожиданно?

Здесь важно понимать, что, хотя накопление энергии может предоставлять широкий спектр услуг для сети, в наши дни оно в основном используется для энергетического баланса - хранения энергии, когда это дешево (обычно ночью) и ее разрядки, когда она более ценная (обычно днем). Таким образом, именно энергетический арбитраж является моделью Хиттингера и Азеведо.

Существует две причины, по которым хранение энергии, используемое в арбитражных целях, приводит к увеличению выбросов:

1) Хранение увеличивает стоимость источников энергии, которые использует и снижает ценность источников энергии, с которыми  конкурирует при разрядке. Если источники энергии, из которых в процессе хранения извлекается энергия, являются более углеродоемкими, чем источники энергии, с которыми конкурирует, то это приводит к увеличению интенсивности углерода в общей структуре мощности.
Скажем, аккумуляторная батарея поглощает дешевую энергию, производимую угольными заводами в течение ночи, а затем разряжает ее в дневное время, конкурируя с заводами с комбинированным циклом природного газа (NGCC). «Чистый» эффект будет заключаться в том, чтобы отдавать предпочтение углю, а не природному газу, тем самым увеличивая «чистые» выбросы.

2) Каждый бит накопленной энергии также ведет к потере части энергии. Эффективность накопления энергии в обоих направлениях - количество выделяемой энергии по отношению к вводимому количеству - в зависимости от технологии колеблется от 40 до 90 %.

Для репрезентативных целей возьмем 80%, относительно оптимистичное предположение об эффективности литий-ионных батарей. То на каждый введенный 1 мегаватт-час придется 0,80 мегаватт-часа.

Это означает, что при хранении для получения 1 мегаватт-часа потребителю необходимо выработать 1,25 мегаватт-часа. Чем больше энергии накапливается, тем больше должна увеличиваться генерация, чтобы компенсировать потери при транспортировке в обе стороны.

Если производство, которое увеличивается для компенсации потерь, является более углеродоемким, чем энергия, которая накапливается, то «чистый» объем выбросов увеличивается.

Даже когда батарея накапливает возобновляемую энергию с нулевым уровнем выбросов, она не увеличивает и не уменьшает общий объем производства; она просто перемещает ее.

Сложно хранить, чтобы не увеличивать выбросы.

Если соединить эти два эффекта вместе, получается сложная ситуация: чтобы избежать увеличения выбросов, недостаточно, чтобы накопленная энергия была менее углеродоемкой, чем вытесненная энергия. Она должна быть гораздо менее углеродоемкой.

По мнению Хиттингера: если предположить, что эффективность хранения будет составлять 80%, то «для того, чтобы хранилище стало рентабельным по выбросам углерода, источник заряжаемой энергии должен быть на 20% чище (выбросы/МВт-ч), чем то, что вытесняется при хранении (в среднем). Тогда получится просто безубыточность».

Такие условия могут быть выполнены:
- установки комбинированного цикла на 20 процентов чище, чем установки по переработке природного газа,
- на 50 процентов чище, чем уголь (в зависимости от того, как учитывать метан),
- возобновляемые источники энергии на 100 процентов чище - но это не очень распространено в США в настоящее время.

Исследование хранилищ в 2017 году в сочетании с солнечными батареями, установленными в жилых домах, показало тот же результат: при прочих равных условиях хранение в жилых помещениях увеличивает «чистое» потребление энергии и «чистые» выбросы углерода.

Теоретически, эффект от аккумулирования энергии, повышающий выбросы, будет уменьшаться по мере того, как энергосети становятся все более экологичными. Но им придется стать намного «зеленее». В отдельной статье Хиттингер и его коллеги моделируют эмиссионные эффекты накопления энергии в энергосистеме с увеличением количества возобновляемых источников энергии. Они обнаружили, что на Среднем континенте ISO (MISO) региональный энергетический рынок Среднего Запада с высоким содержанием угля, ветра и солнца должен достичь 18 % от общей мощности генерации, прежде чем хранилище начнет сокращать выбросы. И это при низких ценах на природный газ сегодня. Если цены на природный газ вырастут, то это займет еще больше времени.

Правильный способ развернуть систему хранения.

В настоящее время поддержка государств в области хранения энергии является неразборчивой благодаря таким мерам, как, например, мандат Калифорнии на хранение или недавнее решение «сделать хранилище с использованием возобновляемых источников энергии приемлемым» для получения федеральных налоговых льгот. Политика поощряет хранение без привязки к времени суток или местоположению.

По крайней мере, в нынешних условиях это оказывает нетривиальное влияние на выбросы. По оценкам Хиттингера и Азеведо на сегодняшний день хранилища в США выбрасывают от 104 до 407 килограммов углекислого газа на МВт/ч поставленной энергии в зависимости от местоположения и предельных цен на энергоносители. Это сопоставимо с «примерно 500 кг / МВтч для американских газовых электростанций и 950 кг / МВтч для американских угольных электростанций».

Не идеально! Что делать?

К счастью, Институт Политической Честности только что выпустил новый официальный документ по этой теме: «Управление хранилищем энергии в будущем». В нем рассматриваются исследования Хиттингера и других, показывающие, что накопление энергии может привести к увеличению выбросов, и обсуждаются три цели реформы. Все они направлены на создание рынка, который эффективно и точно оценивает различные характеристики накопления энергии.

1) Интернализировать внешние факторы.

Владельцы хранилищ энергии, которые стремятся максимизировать прибыль, будут «сохранять более дешевую энергию, и вытеснять самую дорогую», не заботясь о выбросах углекислого газа. Это происходит потому, что нет никакого смысла избегать углеродных выбросов - то есть, нет цены на углерод.

Цена на углерод необходима в масштабах всей экономики, хотя в ближайшее время это кажется маловероятным. Следующим лучшим шагом была бы оценка стоимости углерода на региональных энергетических рынках, что потребовало бы координации действий государственных регуляторов, менеджеров региональных рынков и коммунальных служб.

Третий вариант - проведение эффективного анализа затрат в рамках государственной политики закупок энергоресурсов, с учетом всех выбросов углерода - как при строительстве, так и при эксплуатации.
Существуют различные способы де-факто закрепить цену на углерод. Это просто необходимо.

2) Устранение барьеров для входа на рынок хранения энергии.

Правила и схемы компенсации, которые регулируют региональные энергетические рынки, были разработаны для ресурсов отличных от хранения энергии. Существуют всевозможные искусственные барьеры на пути предоставления услуг по хранению энергии, которые технически есть возможность оказывать.

Остается много вопросов по поводу правил хранения и много другой работы, которую необходимо проделать для того, чтобы рынки были открыты для всех участников.

3) Разноплановые преимущества хранения

Хранилище может уменьшить перегрузку энергосистемы, служить в качестве емкости и помочь избежать необходимости модернизации распределительной системы. На самом деле, хранение – это уникальная энергетическая технология, которая может одновременно оказывать комплекс услуг разного масштаба для разных клиентов.
В качестве примера «умного лидерства», IPI уделяет особое внимание нью-йоркскому подходу «стоимостного значения», в рамках которого предпринимается попытка дезагрегировать потоки стоимости, обеспечиваемые хранилищами, и компенсировать каждый из них дискретно.

Таблица: Предлагаемая штатом Нью-Йорк компенсация для пяти различных значений

Детализированный подход позволяет хранилищу участвовать в нескольких рынках и получать компенсацию от множества различных организаций в зависимости от того, куда падает стоимость.

4) Идеи бонусной политики.

В другой работе Хиттингер и Азеведо предлагают пересмотреть федеральный инвестиционный налоговый кредит (ITC), чтобы отдать предпочтение хранилищам, расположенным рядом с возобновляемыми источниками энергии, которые, скорее всего, будут сокращены.

Директивным органам необходимо умнее относиться к хранению энергии.
Хранение энергии - ключевой элемент головоломки «Чистая энергия», но это не безусловное благо. Развертывание рынка возобновляемых источников энергии сегодня, приводит к увеличению выбросов углерода. Мир в этом не нуждается.

Правильное хранение энергии - это использование источников возобновляемой энергии, и пусть потребность в хранении определяет и регулирует этот рынок.
Вполне возможно, что с помощью сочетания создания передающих сетей, усовершенствования интеллектуальных сетей и рыночных реформ мир в конечном итоге будет нуждаться в меньшем количестве хранилищ. Рынок должен определять, где и когда развернуть хранилище.

Сетевые батареи Tesla в Австралии.

Рациональное развертывание систем хранения энергии – это технологии со смешанным и сложным решением для проблемных рынков.

Рынок, на котором ценятся углерод, емкость, темпы роста, регулирование напряжения и другие услуги, который может предоставить прозрачные правила для всех компаний. Такой рынок будет лучше определять количество и место хранения, чем любые директивные органы.