Накопичення енергії в мережі (також зване великомасштабне зберігання енергії) — це сукупність методів, що використовуються для зберігання енергії у великому масштабі в межах електричної мережі. Установка зберігання енергії — це сукупність накопичувачів та інженерних споруд, перетворювального та допоміжного обладнання, яка здійснює відбір електричної енергії з метою відкладення її кінцевого використання на момент пізніший, ніж коли вона була вироблена, її перетворенням в інший вид енергії, в якому вона може зберігатися, зберіганням та подальшим перетворенням такої енергії в електричну енергію з метою її відпуску в систему передачі, систему розподілу, мережу електростанції або мережу споживача.

Електрична енергія зберігається в той час, коли електроенергії є багато і вона недорога (особливо з переривчастих джерел, як-от відновлювана електроенергія з вітру, припливів і сонячна енергія), або коли попит низький, а потім повертається в мережу, коли попит високий, а ціни на електроенергію, як правило, вищі.

найбільшою формою накопичення енергії в мережі є гідроенергетика, як зі звичайними гідроелектростанціями, так і з ГАЕС.

Розвиток у сфері батарей дозволив комерційно життєздатним проєктам зберігати енергію під час пікового виробництва та випускати під час пікового попиту, а також використовувати її, коли виробництво несподівано падає, що дає час для того, щоб ресурси, що повільніше реагують, були включені у мережу.

Існують дві альтернативи зберігання в мережі — це використання маневрових електростанцій для заповнення пробілів у постачанні та для перенесення навантаження на інший час.

Переваги У будь-якій електричній мережі виробництву електроенергії повинне відповідати споживанню, хоча обидва різко змінюються з часом. Будь-яка комбінація накопичення енергії та реагування на попит має такі переваги:

електростанції на основі палива (тобто вугілля, нафта, газ, атомні електростанції) можна більш ефективно та легко експлуатувати при постійному рівні виробництва; електроенергію, вироблену переривчастими джерелами, можна зберігати та використовувати пізніше, тоді як в іншому випадку її потрібно було б передавати для продажу в іншому місці або вимкнути; пікова потужність генерування або передачі може бути зменшена за рахунок загального потенціалу всіх накопичувачів плюс відкладені навантаження (див. ), що дозволить заощадити на потужності мережі; більш стабільне ціноутворення — вартість зберігання або керування попитом включено в ціноутворення, тому є менше коливань у тарифах на електроенергію, які стягуються з споживачів, або, як альтернатива (якщо тарифи зберігаються на стабільному законодавчому рівні), менше втрат для комунальних підприємств від високих пікових гуртових тарифів на електроенергію, коли піковий попит повинен бути задоволений за рахунок імпортованої електроенергії; готовність до надзвичайних ситуацій — життєво важливі потреби можна надійно задовольнити навіть без передачі чи генерації, а неосновні потреби може бути відкладено.

Енергія, отримана від сонячних, припливних і вітрових джерел, сама по собі змінюється – кількість виробленої електроенергії залежить від часу доби, фази місяця, сезону та випадкових факторів, як-от погода. Таким чином, відновлювані джерела енергії за відсутності сховищ створюють особливі проблеми для електричних комунальних підприємств. Хоча підключення багатьох окремих джерел вітру може зменшити загальну мінливість, сонячна батарея гарантовано недоступна вночі, а потужність припливів змінюється разом із місяцем, тому слабкі припливи відбуваються чотири рази на день.

У літній пік споживання, як правило, більше сонячної енергії може бути спожито і відповідати попиту. У зимовий пік споживання, вітер меншою мірою корелює з потребою в опаленні і може бути використаний для задоволення цього попиту. Залежно від цих факторів, понад 20—40 % загального виробництва — це підключені до мережі переривчасті джерела, як-от сонячна енергія і енергія вітру, як правило, вимагають інвестицій у мережу взаємозв'язків, накопичення електроенергії в мережі або керування попитом. У електромережі без накопичення енергії виробництво енергії з палива (вугілля, біомаса, природний газ, ядерна), має бути збільшено і зменшено, щоб відповідати зростанням і падінням виробництва електроенергії з переривчастих джерел (див. ). У той час як гідроелектростанції та електростанції на природному газу можуть швидко збільшити або зменшити виробництво, щоб слідувати вітру, вугільні та атомні електростанції потребують значного часу, щоб реагувати на навантаження. Таким чином, комунальні підприємства з меншою кількістю природного газу або гідроелектростанції більше залежать від управління попитом, з'єднання мереж або дорогих насосних сховищ. Французька консалтингова компанія Yole Développement оцінює ринок «стаціонарних сховищ» до 2023 року вартістю 13,5 мільярдів доларів у порівнянні з менш ніж 1 мільярдом доларів у 2015 році.

Управління на стороні попиту та зберігання енергії в мережі

Сторона попиту також може зберігати електроенергію з мережі, наприклад, заряджання електромобіля з акумулятором зберігає енергію для транспортного засобу, а акумулятори тепла, теплові акумулятори централізованого опалення або забезпечують збереження тепла для будівель. Наразі ці сховища служать лише для перенесення споживання на непіковий час доби, електроенергія не повертається в мережу.

Потреба в мережевому сховищі для забезпечення пікової потужності зменшується за рахунок попиту з , що є однією з переваг розумних лічильників. На рівні домогосподарств споживачі можуть вибирати менш дорогі непікові часи для прання та сушіння білизни, використання посудомийних машин, прийняття душу та приготування їжі. Крім того, комерційні та промислові користувачі скористаються перевагами заощадження, відкладаючи деякі процеси на непіковий час.

Регіональний вплив непередбачуваної роботи вітроенергетики створив нову потребу в інтерактивній , де комунальне підприємство спілкується зі споживачами. Історично це робилося лише у співпраці з великими промисловими споживачами, але зараз може бути розширено на цілі мережі. Наприклад, кілька великомасштабних проєктів у Європі пов'язують зміни постачання вітрової енергії зі зміною навантаження на промислові морозильні камери, викликаючи невеликі коливання температури. У випадку взаємодії в масштабі всієї мережі, невеликі зміни температури опалення/охолодження миттєво змінять споживання в мережі.

У звіті, опублікованому в грудні 2013 року Міністерством енергетики США описуються потенційні переваги накопичення енергії та технологій на стороні попиту для електричної мережі: «Модернізація електричної системи допоможе нації впоратися з проблемою роботи з прогнозованою потребою в енергією, у тому числі вирішення проблеми зміни клімату шляхом інтеграції більшої кількості енергії з відновлюваних джерел та підвищення ефективності процесів використання невідновлюваної енергії. Удосконалення електричної мережі повинно підтримувати надійну та стійку систему постачання електроенергії, а зберігання енергії може відіграють важливу роль у вирішенні цих проблем, покращуючи експлуатаційні можливості мережі, знижуючи вартість та забезпечуючи високу надійність, а також відкладаючи та зменшуючи інвестиції в інфраструктуру. Нарешті, зберігання енергії може бути важливим для готовності до надзвичайних ситуацій завдяки своїй здатності забезпечувати послуги резервного постачання зі стабілізації електроенергії та мережі». Звіт був написаний основною групою розробників, які представляють , ARPA-E, , , Національні лабораторії Сандія та ; всі вони займаються розробкою мережевих накопичувачів енергії.

Зберігання енергії у мережі Накопичувачі енергії є цінним активом для електричної мережі. Вони можуть надавати переваги та послуги, як-от керування навантаженням, забезпечення якості електроенергії та послуг джерела безперебійного живлення для підвищення ефективності та безпеки постачання. Це стає все більш важливим для енергетичного переходу та для забезпечення потреби в більш ефективній та стійкій енергетичній системі.

Численні технології накопичення енергії (гідроакумулювальна електростанція, електрична батарея, , маховиковий накопичувач, суперконденсатор тощо) підходять для масштабування мережі. застосування, однак їх характеристики відрізняються. Наприклад, ГАЕС добре підходить для керування об'ємними навантаженнями завдяки великій потужності та ємності. Однак придатних місць мало, і її корисність зникає під час вирішення локалізованих проблем якості електроенергії. З іншого боку, маховики та конденсатори найефективніші для підтримки якості електроенергії, але їм не вистачає ємності для використання у великих програмах. Ці обмеження є природним обмеженням для застосування сховища.

Кілька досліджень викликали інтерес і досліджували придатність або вибір оптимального накопичувача енергії для певних застосувань. Огляди літератури містять доступну інформацію про сучасний рівень техніки та порівнюють використання сховища на основі поточних наявних проєктів. Інші дослідження роблять крок далі в попарній оцінці методів накопичення енергії і оцінюють їхню придатність на основі . В іншій роботі запропоновано схему оцінки шляхом дослідження та моделювання сховища як еквівалентних схем. Підхід до індексації також був запропонований у кількох дослідженнях, але він все ще знаходиться на початковій стадії. Для того, щоб збільшити економічний потенціал систем зберігання енергії, підключених до мережі, представляє інтерес розглянути портфель із кількома послугами для одного або кількох застосувань для системи зберігання енергії. Таким чином, за допомогою одного сховища можна отримати кілька потоків доходу, що також підвищить рівень використання. Поєднання частотної характеристики та резервних служб розглядається в роботі, водночас розглядається та обраховується згладжування піку навантаження разом зі згладжуванням потужності.

Форми

Повітря

Стиснуте повітря

Один із методів зберігання енергії в мережі полягає у використанні електроенергії, виробленої в непіковий період або енергії з відновлюваних джерел для вироблення стисненого повітря, яке зазвичай зберігається у старій шахті або якомусь іншому геологічному об'єкті. Коли потреба в електроенергії висока, стиснене повітря нагрівається невеликою кількістю природного газу, а потім проходить через турбодетандер для вироблення електроенергії.

Сховище енергії на стисненому повітрі зазвичай має ефективність біля 60—90 %.

Зріджене повітря

Інший спосіб зберігання електроенергії — стискати та охолоджувати повітря, перетворюючи його в зріджене повітря, яке можна зберігати та за допомогою якого за потреби обертати турбіну, виробляючи електроенергію, з ефективністю зберігання до 70 %.

На півночі Англії будується комерційна установка для зберігання енергії за допомогою зрідженого повітря, комерційна експлуатація, запланована на 2022 рік. Потужність електростанції в 250 МВт·год буде майже вдвічі більшою, ніж у найбільшої існуючої у світі літій-іонної батареї Hornsdale Power Reserve у Південній Австралії.

Батареї

Акумулятори використовувалися з перших днів використання електроенергії постійного струму. Там, де електроенергія від мережі змінного струму була недоступною, ізольовані освітлювальні установки, які приводились у дію вітряними турбінами або двигунами внутрішнього згоряння, забезпечували освітлення та живлення малим двигунам. Акумуляторну систему можна було використовувати для роботи з навантаженням без запуску двигуна або при тихому вітрі. Набір свинцево-кислотних акумуляторів у скляних банках забезпечував живлення як для освітлення ламп, так і для запуску двигуна для підзарядки акумуляторів. Технологія зберігання у акумуляторах зазвичай має ефективність від 80 % до більш ніж 90 % для нових літій-іонних пристроїв.