Преходът към климатично неутрална електроенергийна система - ролята на съоръженията за съхранение на енергия

Статия на Марияна Янева - директор “Политики и комуникации” в Асоциация за производство, съхранение и търговия с електричество (АПСТЕ) в сп. „Енергетика Електроенергийни ракурси“

„Наближаваме решаващ момент в международните усилия за овладяване на климатичната криза“, д-р Фатих Бирол, Изпълнителен директор на Международната агенция по енергетика (МАЕ), пише през май 2021г. в предговора на специалния доклад на агенцията „Нетна нула до 2050: Пътна карта за глобалната енергийна система“.

Последният доклад на междуправителствената експертна група по климатичните промени (IPCC), представен в началото на август 2021 г., също потвърждава, че „само бързи, стремителни и продължителни“ съкращения на емисиите на парникови газове могат да помогнат на света да не надхвърли целта за повишаване на температурата с 1,5 до 2,0 градуса по Целзий.

Тъй като енергетиката е отговорна за близо 2/3 от световните емисии на парникови газове, бързата трансформация от изкопаеми горива към енергия от възобновяеми енергийни източници (ВЕИ) е ключова и има най-значим принос в борбата с климатичните промени.

Европейският съюз има солидна история в разработването на стратегия за декарбонизация на енергетиката, като се започне от законодателния пакет Климат и Енергия, по-широко познат като целите 20-20-203, и се стигне до пакета “Чиста енергия“, Европейския зелен пакт, Климатичния закон и новия пакет от законодателни мерки „Подготвени за цел 55“, който бе официално представен на 14-ти юли тази година.

Видимо стъпката на енергийния преход в Европа се ускорява и се върви от стратегия към реални действия. Икономиката на ЕС има вече официално поставена цел да стане неутрална по отношение на климата до 2050 г. — с нулеви нетни емисии на парникови газове. Изпълнението на тази цел е едновременно предизвикателство и възможност за бърза енергийна трансформация.

Стратегията на ЕС за интегриране на енергийната система залага на ускоряване на електрификацията на енергийните нужди и очаква делът на възобновяема енергия в енергийния микс да се удвои до 55-60 % до 2030 г., а прогнозите показват дял от около 84 % за 2050 г.

Този сериозен ръст на инвестициите в нови възобновяеми централи поставя управлението на електроенергийната система пред нови предизвикателства и търсене на решения за повишаване на гъвкавостта ѝ. Специално поръчано от Европейската комисия проучване за приноса на технологиите за съхранение на енергия за сигурността на доставките на електроенергия в Европа5 прогнозира, че до 108 GW съоръжения за съхранение на енергия (основно батерии и ПАВЕЦ) ще са нужни на европейската електроенергийна система с хоризонт 2030.

Как България ще декарбонизира своята енергетика и каква роля отрежда на технологиите за съхранение на енергия за момента остава по-скоро в сферата на догадките. С изключение на няколкото енергийни проекта, заложени в последната версия на българския План за възстановяване и развитие (ПВУ) по инструмента „Следващото поколение ЕС“, страната ни няма ясно дефинирана национална визия, стратегия и политики за преход към производство на нисковъглеродна енергия и модернизация на електроенергийната система за повишаването на нейната гъвкавост по отношение на дела на ВЕИ в микса. Едно обаче е пределно ясно – страната се намира в решаващ момент от своето енергийно развитие.

Огромният скок в развитието на технологиите за възобновяема енергия и реализиран над 80 % спад в цената им6 в последните 10 години рязко контрастира с рекордните цени на електроенергията за свободния пазар в страната и дебело подчертава изоставането на политиките за реформиране на националната електроенергийната индустрия и подготовката й за климатична неутралност. Бизнесът вече се ориентира сравнително бързо и голяма част от индустриалните консуматори в страната проучват или строят фотоволтаични системи за собствена консумация.

Въпреки пандемията, през изминалата 2020 г. в страната са изградени над 120 MW такива мощности и тенденцията се ускорява през 2021 г. Увеличава се и инвеститорският интерес към изграждане на големи ВЕИ мощности, които ще разчитат именно на договори за корпоративно снабдяване с енергия или директни продажби на енергийната борса.

Ролята на съхранението на енергия за енергийната трансформация в България

Технологиите за съхранение на енергия са едно очевидно решение за увеличаване на гъвкавостта на електроенергийната система. Те ни дават възможност да използваме много по-оптимално възобновяемите енергийни източници, чиито цени ще продължат да падат, а употребата им да нараства. Повечето технологии за съхранение на енергия могат да бъдат внедрени бързо, във всякакъв мащаб и ниво на електрическата система (производство, пренос, разпределение, потребление), като те могат да предоставят, както локални услуги (преодоляване на „тесни“ места в разпределителните и преносната мрежа), така и системни услуги (капацитет, регулиране на честотата, минимизиране на разходите за балансираща енергия) с почти неограничени възможности за агрегиране.

Технологиите за съхранение на енергия могат да създадат и нови бизнес възможности и работни места в регионите, които ще претърпят най-голяма трансформация при прехода към климатично-неутрална енергетика. Три са ключовите въпроса, на които трябва да отговори всеки план за енергиен преход в досега определяните като „въглищни“ райони:

- Кои са технологиите, които отговарят на дългосрочните стратегии за климатична неутралност?

- Кои елементи от съществуващата инфраструктура могат да бъдат използвани в този подход за енергиен преход?

- Кои части от регионалните индустриални вериги за създаване на стойност могат бъдат запазени?

Ако вземем за пример енергийния комплекс „Марица-Изток“, комбинацията от инсталирането на ВЕИ мощности със система за съхранение на енергията в голям мащаб би дало положителен отговор и на трите въпроса:

- оползотворяването на съществуващата енергийна инфраструктура, особено по отношение на присъединяване към мрежата, ще намали разходите по затварянето на въглищните централи, както и инвестиционните разходи за новите проекти;

- преквалификацията на персонала може да спомогне за запазването на работни места;

- идентичността на региона като основен производител на енергия ще се запази, което би помогнало за формирането на позитивни обществени нагласи към проекта.

В Европа вече има примери за такива трансформации. Енергийната компания LEAG, която управлява все още действащата електроцентрала на лигнитни въглища Schwarze Pumpе в Германия, съвместно с местните власти в Бранденбург инвестира в голяма система за съхранение на енергия с капацитет 66 MW/70 MVA/53 MWh. Батерията е базирана на литиево-йонна  технология и е присъединена към мрежата високо напрежение (110 kV), като повече от 20 местни компании са ангажирани в проектирането, доставката на оборудване и изграждането й.

Декември 2019: Последни дейности по инсталирането на BigBattery Lausitz система за съхранение на енергия с батерии в лигнитната въглищна централа Schwarze Pumpе, Бранденбург, Германия, снимка Андреас Франке за LEAG

Системата предоставя мрежови услуги за регулиране на честотата и стабилизиране на мрежата (резерви за първично и вторично регулиране), а участва и на енергийния пазар, като се зарежда от мрежата при ниска цена на електроенергията и продава в периодите с високи цени.

Батерията в момента участва и в проекта WindNODE за създаването на „дигитален близнак“ на виртуална електроцентрала, която включва над 70 партньора, изследващи предизвикателствата пред интегрирането на множество малки производители и консуматори на енергия, както и системи за съхранение на енергия в една обща система за контрол, която би могла да оперира на електроенергийния пазар с мащаба на голяма електроцентрала.

Друг, съвсем пресен пример за стратегия, която залага на комбинацията от фотоволтаични мощности и системи за съхранение на енергия, идва от Португалия, където Ендеса обяви инвестиция от 582 милиона евро, за да трансформира 628 MW въглищна електроцентрала Пего в 650 MW фотоволтаична електроцентрала с допълнителна система за съхранение на енергия от 100 MW батерии и електролизьор за производството на 1500 тона зелен водород годишно.

Компанията е обявила, че новите мощности ще открият поне толкова постоянни работни места, колкото ще бъдат съкратени след спирането на работа на въглищната централа, която е последната, която все още работи в Португалия, и е предвидено да прекрати дейност през ноември тази година. Едно от ключовите предимства на литиево-йонните батерии е бързината, с която могат да бъдат инсталирани системите за съхранение на енергия, независимо от мащаба. Индикативен е примерът на компанията „Тесла“, която само в рамките на 100 дни инсталира батерия от 100MW/129MWh в Хорнсдейл, Австралия. Недостатъкът на технологията – поне към момента - е деградацията в представянето с броя изпълнени цикли на заряд и разряд, макар че това може да се превърне и в предимство предвид забележителния спад на цените през последното десетилетие8. Реалистично е да се очаква, че всяка следваща система ще струва по-малко от предшественика си.

Алтернативи на литиево-йонните батерии

В съседна Гърция, която през 2019 г. заяви, че ще затвори всички въглищни централи до 2028 г., а по-рано тази година стана известно, че ще ускори процеса до 2025 г., също се проучват възможностите на технологиите за съхранение на енергия за заместване на част от мощностите, които ще бъдат изведени от експлоатация или дори няма изобщо да започнат работа, какъвто е случаят с новата въглищна електроцентрала Птолемаида 5, която все още се строи.

Технико-икономическа оценка на четири алтернативи за все още строящата се електроцентрала, извършена от консултантската фирма Enervis energy advisors9, дава превес на технология за термално съхранение на енергия със стопилки на соли като решение, което ще създаде най-много работни места в комбинация с проекти за слънчеви и вятърни електроцентрали, не е зависимо от бъдещата цена на въглеродни емисии или внос на гориво и може да бъде осъществено на конкурентна цена. Нормираните разходи за енергия (LCOE) са оценени на между 91 и 106 евро на MWh.

Технологията за термално съхранение на енергия със стопилки на соли е комерсиализирана и вече се прилага в мащаб, най-вече като част от соларни паркове за концентриране на слънчева енергия в САЩ, Испания, Мароко и Близкия Изток. Към нея има и сериозен инвеститорски интерес за разработване на приложения за продължително съхранение на енергия (10 часа и повече), тъй като термалните системи за съхранение на енергия не деградират с времето, както литиево-йонните батерии и използват материали, които са широко достъпни и евтини като натриеви, калиеви или калциеви соли.

Malta Inc. например е стартираща компания, която е създадена от иновативното звено на Гугъл и е подкрепена от инвестиционната компания на Бил Гейтс Breakthrough Energy. През юли тази година Malta подписа договор за партньорство със Сименс за разработка и производство на система, която теоретично би могла да поддържа 100 MW система между 10 и 200 часа.

По-скромен пилотен проект (100 MW за 10-12 часа) в партньорство с Duke Energy в САЩ проучва икономическата обоснованост на подобно решение имено за излезли от експлоатация въглищни централи. Duke Energy оперира 6 въглищни централи в щата Северна Каролина като една от централите трябва да извади от експлоатация 3 от своите блокове тази година. Резултатите от това проучване трябва да са готови в началото на следващата година, а първата реализирана инсталация за термално съхранение на енергия на Малта се очаква през 2024 г.

Решението, което Малта предлага, е базирано на термодинамичния цикъл на Брайтън, който се използва и при паро-газовите турбини, показано на фигура 1. Според компанията, нейната технология може да замени котлите на въглища с парогенератор, задвижван от стопилки на соли и да запази възможността за предоставяне на мрежови услуги като инерцията, традиционно осигурявана от ротационните генератори на конвенционалните термални електроцентрали.

Фигура 1. Принцип на термалните технилогии за съхранение на енергия Адаптирано от Malta Inc.

Подобни пилотни проекти за термални системи за съхранение на енергия в извадени от експлоатация въглищни електроцентрали се планират и в Германия и Чили, а датската Aalborg CSP експериментира с технология за термално съхранение на слънчева енергия в покрит басейн с вода като алтернатива на топлофикация, захранвана изцяло с енергия от слънцето. Канадската Хидростор (Hydrostor) пък развива термално съхранение с адиабатно компресиране на въздух, което запазва и част от миньорските работни места, тъй като технологията изисква изграждането и поддържането на подземни кухини, където се компресира въздуха.

Проект Goderich на Хидростор в Онтарио, Канада Снимка: Хидростор

Декарбонизацията на енергетиката в България – 10 GW за 10 години

Технологиите за съхранение на енергия се развиват изключително бързо и в комбинация с ВЕИ мощности представляват много добра възможност за оползотворяване на част от инфраструктурата на въглищните централи и трансформация на енергийните мощности там от фосилни горива към зелена енергия. Според анализите на Асоциацията за Производство, Съхранение и Търговия с Електроенергия (АПСТЕ), в следващите 10 години, България има потенциала да изгради над 10 000 MW нови фотоволтаични и вятърни електроцентрали, както и поне 2500 MWh системи за съхранение на енергия. Това ще помогне за намаляване на цените на електроенергията за индустрията и домакинствата, ще подпомогне модернизацията на електроенергийната система и ще даде възможност да бъдат създадени или запазени десетки хиляди работни места.