Опыт поддержки развития технологий накопления энергии в зарубежных странах

Сложность понимания рынка хранения энергии представляет собой серьезное препятствие для инвесторов и производителей технологий. Среди влияющих факторов – структура оптового энергетического рынка, характер кривых Для цитирования

локального спроса для различных потребителей, региональная архитектура генерации и сетевой инфраструктуры и, прежде всего, ценовая политика, регулирующая интеграцию систем накопления энергии (СНЭ), которая может быть возмездной или иметь право на получение

Vestnik VGUIT [Proceedings of VSUET]. 2019. vol. 81. no. 2. pp. 341–351.

компенсации. Учитывая тот факт, что СНЭ совмещают в себе свойства как генератора, так и потребителя, порядок и механизм стимулирования является более сложным, чем механизмы поддержки ветра или солнца. Учитывая дополнительные эффекты от применений СНЭ, такие, как: снижение пиковой нагрузки, управление спросом и предложением, регулирование частоты, более эффективная интеграция возобновляемых источников энергии (ВИЭ, Smart Grid), управление энергией с помощью виртуальных электростанций, перенос нагрузки, регулировка частоты плюс потенциальная выгода от многочисленных синергетических денежных потоков, доходов всей цепочки производства-потребления, общая картина развития СНЭ на глобальном уровне приобретает совершенно другой вид.

Проблематика развития систем накопления энергии широко представлена в материалах международных аналитических агентств: IRENA [1–2], ESA [3], IEA [4–5], GTM Research [6], Bloomberg New Energy Finance [7–9], Lazard [10]. В России в рамках реализации дорожной карты «Энерджинет» ведется активная работа Центром стратегических разработок по аккумулированию знаний, прогнозам развития технологий накопления энергии (Концепция развития рынка систем хранения электроэнергии в Российской Федерации, «Рынок систем накопления электроэнергии в России: потенциал развития») [11–13].

Несмотря на формирование в странах и регионах минимально необходимой нормативной базы, обеспечивающей поддержку и развитие СНЭ, существует ряд сложностей, без преодоления которых масштабное развитие СНЭ затруднено. Обобщенно, с учетом рассматриваемых стран и регионов, можно выделить следующие «болевые точки».

• 1)    Фрагментированная структура регулирования, то есть отсутствие единообразного подхода к регулированию, нормативные и политические особенности приводят к неравномерностям возможностей и развития СНЭ даже в рамках одной страны или макрорегиона.

• 2)    Хранение размывает традиционные линии между генерацией, передачей и потреблением – традиционно классификация субъекта электрического рынка используется для определения как оплачиваются / компенсируются оказанные услуги. При использовании СНЭ происходит размытие производителей и потребителей, что усложняет процесс взаимодействия между различными службами и регулирующими органами.

• 3)    Несовершенная структура рынков услуг по регионам и территориям, в частности, инертное потребление, услуги государственного регулирования, аварийный старт и реактивная мощность отсутствуют в ряде регионов и компенсируются через другие механизмы, предназначенные для централизованной энергосистемы.

• 4)    Отсутствие преимуществ для хранилища, расположенного на стороне клиента, – умные сети и распределенная генерация направлены на повышение эффективности в энергосистеме. При этом большинство конечных пользователей не осведомлены и не настроены на переход к динамическому ценообразованию и модернизации энергосистемы за счет встраивания современных технологических решений.

• 5)    Низкий уровень интеграции СНЭ в энергосистему, сопровождающийся при этом несинхронизацией в достаточной мере планов строительства СНЭ с планами сетевых операторов, в том числе оставление без учета перспективных балансов мощности.

Кроме этого, в числе сложностей есть проблема выделения потока электроэнергии по структуре владения и установлению соответствующих тарифов и субсидий, а также порядок получения лицензий / разрешений на продажу электрической энергии (по аналогии с генератором). Кроме того, в части планов регионов и стран по переходу на ВИЭ и снижению выбросов углекислого газа зачастую отсутствуют целевые ориентиры по использованию СНЭ.

Результаты и обсуждение

Рассмотрение механизмов поддержки СНЭ, исходя из мирового опыта развития и совершенствования технологий хранения энергии, можно представить в виде иерархии, которая основана на целях и масштабах государства по развитию направления и отображает технологическую зрелость технологий (рисунок 1).

В качестве одной из мер поддержки инновационных технологий государства реализуют различные программы стимулирования развития новых технологий в энергетике, отвечающих современным приоритетам как в обеспечении собственных потребностей в энергоресурсах, так и в осуществлении поставок на мировые энергетические рынки. При этом многие государства стремятся повышать долю стабильного и надежного обеспечения своих потребностей в безопасной и чистой энергии, вкладывая в соответствующие разработки большие ресурсы (рисунок 2).

Включение СНЭ в стратегические планы развития Incorporating SNE into strategic development plans

Стимулирование рынка СНЭ

STE market stimulation

>

Демонстрация интереса к СНЭ

Demonstration of interest in SNE

Регуляторные решения на этапе, когда еще предстоит принять НПА, необходимы для включения СНЭ в рынок Regulatory decisions at the stage when the regulatory acts are yet to be adopted are necessary for the inclusion of SNE in the market

Создание рынка СНЭ Creation of the market for SNE

Регуляторные решения, определяющие и уточняющие правила внедрения и взаимоотношения СНЭ в энергетической отрасли Regulatory decisions that define and clarify the implementation rules and relationships of EEC in the energy sector

Регуляторные решения, направленные на целевое стимулирования развития рынка СНЭ Regulatory decisions aimed at targeted stimulating the development of the market for SNE

Регуляторные решения, направленные на интегрирование СНЭ в сетевую инфраструктуру и схему размещения генерующих объектов в рамках процесса стратегического планирования Regulatory decisions aimed at integrating STE into the network infrastructure and the layout of generating facilities as part of the strategic planning process

Рисунок 1. Механизмы поддержки систем накопления энергии

Figure 1. Energy storage systems’ supporting mechanisms

Примеры проектов СНЭ | Examples of SNE projects ■ Terhills, 18,2 МВт Tesla Powerpacks

Dalian VFB - UET / Rongke Power, 200 МВт

Huntorf CAES Plant,290 МВт

Solana Generating Station,280 МВт

McIntosh CAES Plant,110 МВт eStorage

Zhangbei National Wind Solar and Energy Storage

Demonstration Project,100 МВт

Hornsdale Power Reserve,100 МВт

Литий-ионные | Lithium ion

PNNL

SLAC National Accelerator Lab

• Stanford

• UC, Riverside

• LBNL

Cornell University

Boston College

Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS

Technische Universitaet Muenchen (TUM)

National Center for Nanoscience and Technology

Fudan University

Samsung

Institute of Materials Research and Engineering

Проточные | Flowing Прочие | Others

Harvard      \ / Colorado State University

Европейский Союз (ЕС) является одним из мировых технологических лидеров. В целях поддержки и поощрения исследований Европейская комиссия последовательно реализует программы научно-технологического развития «Framework Programmes» (рамочные программы), которые финансируются за счет государственных и частных источников. С 1984 г. насчитывается восемь программ – FР1-FР8 (рисунок 3). В седьмую рамочную программу исследований и разработок (FР7), завершившуюся в 2013 г., вошли 377 исследовательских проектов в области энергетики по развитию ВИЭ, СНЭ и сетей. Один из таких проектов – еStоrаgе (2012–2017 гг.) – направлен на повышение рентабельности решений для интеграции СНЭ в масштабе сетевой инфраструктуры Европейского Союза.

Рисунок 3. Объем финансирования программы научно-технологического развития ЕС, млрд евро

Figure 3. Funding of the EU program of scientific and technological development, billion euros

Основными механизмами инновационной поддержки, реализуемыми посредством рамочной программы, являются:

• •    предоставление льготного кредитования и налоговых льгот;

• •    частные вложения в инновации;

• •    программа развития венчурного инвестирования в технологии (инвестиционное агентство TBG);

• •    высокоэффективная система защиты прав на интеллектуальную собственность (реализуемая через законодательство, судебную систему, надзорные механизмы);

• •    патентная библиотека (открытая информация);

• •    протекционистская политика (при проведении разработок, ведущихся на государственные средства подрядчики должны использовать отечественное оборудование).

В 2011 г. по инициативе Европейской Комиссии была образована Европейская Ассоциация по хранению энергии (EASE), деятельность которой направлена на уточнение и применение СНЭ в рамках энергетической политики ЕС. В 2013 г. EASE для целей декарбонизации Европы выпустила дорожную карту технологии СНЭ, устанавливающую все потенциальные площадки для применения СНЭ в секторах генерации, продажи и транспортировки электроэнергии исходя из состояния технологии СНЭ, возможных путей развития, стоимостных и технических показателей.

Ключевые функции СНЭ в Европе:

• •    регулирование баланса мощности (генерация и потребление), частоты энергосистемы, оперативное резервирование мощности, снижение величины перетоков по транзитным ЛЭП и потерь в сетях;

• •    использование запасенной энергии в аварийных и послеаварийных режимах энергосистемы;

• •    улучшение коэффициента использования установленной мощности (КИУМ), режимов работы и безопасности АЭС;

• •    продление ресурса оборудования за счет снижения количества пусков и остановов генерирующего оборудования ТЭС, улучшение удельных показателей расхода топлива;

• •    увеличение КИУМ ГЭС за счет исключения недовыработки электроэнергии в период холостых сбросов;

• •    переход к онлайн платформе по планированию спроса и потребления энергии за счет балансирования потоков и интеграции СНЭ.

С точки зрения накопителей, в ЕС действует более 9,3 ГВт ГАЭС [14], при этом страны различаются по структуре и объему платы за передачу и распределение, интеграцию ВИЭ и СНЭ.

Если рассматривать политику отдельных стран, в Германии существуют более 200 программ государственной поддержки предпринимателей, осуществляемой через государственные банки и организации-операторы государственных программ, такие как High-Tech Gründerfonds, организованные как государственно-частное партнерство, имеющие портфель порядка 500 компаний.

США остаются мировым центром инноваций в области энергетических технологий и энергоресурсов. За последние годы Калифорнийские венчурные инвесторы обеспечили основную часть инвестиций в разработку ветровых, солнечных, аккумуляторных и других технологий. Рост инновационных разработок активно стимулируется энергетическими грантами и гарантиями по кредитам. Подобным примером является учрежденная Конгрессом в 2007 г. программа DARPA-E. Многие технологии ВИЭ получили первое (субсидированное) коммерческое развертывание именно в США. В некоторых случаях коммунальные службы США такие, как и American Electric Power (AEP), AES и ConEd имеют более чем десятилетний опыт разработок и внедрения технологий накопления энергии для разнообразного применения в сети. Агентством ARPA-E недавно запущена программа Duration Addition to Electricity Storage (DAYS), в рамках которой реализуется конкурс разработок накопителей, позволяющих с низкой стоимостью хранить электроэнергию для ее использования в течение 10–100 ч.

В целом поддержка инноваций в США охватывает следующие значимые направления:

• •    поддержка исследований в университетах и исследовательских институтах [17];

• •    система федеральных лабораторий и трансфера технологий;

• •    университетские исследования и научные фонды [18];

• •    система коллаборации в промышленности [19];

• •    создание инновационных кластеров (кластер включает в себя направление аккумулирования Triangle Park – FREEDM System Center, который занимается разработкой систем по хранению и распределению энергии. Центр поддерживают 60 компаний, производящих электроэнергию);

• •    стимулирование малого бизнеса на проведение инновационных исследований (The Small Business Innovation Research Program – SBIR);

• •    программа по распространению технологий, реализуемых малым бизнесом (The Small Business Technology Transfer Program – STTR);

• •    программа по стимулированию инвестиционных компаний для малого бизнеса (The Small Business Investment Company – SBIC);

• •    налоговые преференции;

• •    федеральные гранты и гарантии по займам для развития технологий, предоставляемые в соответствии American Recovery and Reinvestment Act (ARRA).

Также в США активно развита практика финансирования разработок и проектов со стороны независимых инвестиционных фондов по направлению СНЭ. Примерами подобных фондов выступают следующие:

• •    фонд I2ВF – венчурный фонд, осуществляющий инвестиции, в том числе в производителей аккумуляторов США – Primus Power, имеющий запатентованную технологию аккумулирования электрической энергии, работающей на основе химического соединения бромид цинка и технологий в области потоковых систем. Сумма инвестиций – 6 млн долл. плюс 32 млн долл.;

• •    Breakthrough Energy Ventures (BEV) – фонд развития возобновляемой энергетики (основатель Б. Гейтс). Фонд инвестирует в коммерциализацию новых технологий по сокращению выбросов парниковых газов и другие смежные направления, в том числе производство электроэнергии, ее транспортировку и хранение, сельское хозяйство, промышленные процессы, а также энергоэффективность. Общий бюджет – более 1 млрд долл.;

• •    Energy storage fund (Gore street Capital) – основанный в Великобритании фонд, инвестирующий в технологии накопления, сотрудничающий с компанией NEC.

• •    Ontario Teacher’s Pension Plan – пенсионный фонд Онтарио (323 тыс. учителей-пенсионеров), активно инвестирующий в ВИЭ и системы накопления;

• •    проект GigaFactory (инвестиции со стороны компании Panasonic);

• •    QuantumScape (инвестиции компании Volkswagen в размере 100 млн долл.) проект направлен на разработку твердотельных батарей для применения в электромобилях;

• •    компания Stem (занимается вопросами повышения энергетической эффективности с применением интеллектуальных технологий, в том числе и систем накопления энергии) была проинвестирована в 1 квартале 2018 г. на сумму 80 млн долл. компаниями Activate Capital, Ontario Teacher’s Pension Plan, Temasek;

• •    Ionic Materials (разработка нового полимерного аккумулятора в качестве конкурента литий-ионным аккумуляторам) в 1 квартале 2018 г. получили 65 млн долл. от Dyson, Samsung, А123, Hitachi, Renault, Nissan, Mitsubishi.

Федеральная поддержка СНЭ исходит из целей повышения надежности [20], эффективности энергосистемы и лучшего использования волатильных ВИЭ, таких как солнечная и ветровая энергия. Федеральная политика поддержки представлена в различных формах, включая:

• •    общую структуру рынка;

• •    законы, принятые Конгрессом для поддержки конкуренции, доступа и хранения;

• •    нормативные директивы Федеральной комиссии по регулированию энергетики (FERC).

Общая структура оптового энергетического рынка США достаточно хорошо развита и включает рынки мощности, передачи, вспомогательных услуг и сервисов, а также торговлю квотами на выбросы загрязняющих веществ и возобновляемые источники энергии. Сложность этой структуры и участие множества децентрализованных участников государственного и частного рынка призывает регуляторов внимательно следить за барьерами для новых игроков и новых технологий, а также обеспечения надлежащих стимулов для предоставления необходимых услуг по низким ценам. Для примера, с учетом опыта великих отключений 1970-x гг. во многих регионах существует относительно высокая плата за дополнительные услуги. Теперь, когда возобновляемая энергия достигла коммерческого масштаба во многих зонах США, политики воспринимают накопление энергии как следующий логический шаг, который согласуется с энергетической политикой для электромобилей, а также в целом соответствует национальным целям технологического и промышленного лидерства. Как в случае с ВИЭ, США взяли на себя технологическое лидерство и сейчас стремятся также занять лидирующие позиции в области СНЭ [21].

Чтобы подчеркнуть необходимость сохранения технологического лидерства в области хранения энергии, Конгресс еще в 2007 г. принял закон об энергетической независимости и безопасности, содержащий раздел, посвященный конкурентоспособности хранения энергии. В частности, закон предусматривал создание финансируемых из федерального бюджета исследовательских лабораторий по хранению энергии, а также нового национального комитета по разработке пятилетнего плана по хранению энергии. Закон определил приоритетные направления развития СНЭ:

• •    накопление энергии для повышения эффективности использования микросистем в сельских районах;

• •    интеграция системы накопления энергии с самовосстанавливающейся сетью;

• •    использование накопителей энергии для повышения безопасности инфраструктуры при чрезвычайных и аварийных ситуациях;

• •    интеграция ВИЭ и источников удаленной автономной генерации и контроль напряжения;

• •    использование накопителей энергии для предоставления дополнительных услуг;

• •    продвижение систем преобразования энергии, внедрение «умных» систем;

• •    использование СНЭ для оптимизации передачи и распределения энергии, управления пиковой нагрузкой домов, предприятий и сети, хранения энергии во время непикового потребления;

• •    эффективное использование существующих сетевых активов.

На федеральном уровне FERC является самым важным игроком в области СНЭ. В последние годы FERC занимает активную позицию в снижении энергетических барьеров в области хранения энергии, что нашло выражение в принятии целого ряда нормативных актов, последовательно определявших положение СНЭ на рынке и их полноценную интеграцию в энергосистему (в частности, FERC Order № 719, 745, 755, 764, 784,792). В 2018 г. (FERC Order № 841, 845) были устранены ограничения на участие СНЭ в оптовых рынках для обеспечения эффективного и недискриминационного доступа СНЭ, конкуренции и равных условий, а также пересмотрен порядок техприсоединения генерирующих объектов и накопителей к сетям. Цель изменений – «более эффективно интегрировать ресурсы накопителей энергии в организованные оптовые рынки в целях совершенствования конкуренции и способствовать тому, чтобы на этих рынках устанавливались справедливые и разумные цены» [22]. Принятие директив в 2018 г. является ключевым шагом к широкомасштабному внедрению СНЭ, а также показателем их экономической состоятельности и признания полноправными участниками рынка.

Кроме того, в США поддержка СНЭ реализуется и на уровне отдельных штатов. В частности, штат Нью-Йорк в июне 2018 г. утвердил «дорожную карту» по внедрению до 2025 г. СНЭ суммарной мощностью 1,5 ГВт [23]. Проект ориентирован в том числе на максимально эффективную интеграцию растущего сегмента ВИЭ в энергосистему, а также снижение на 1 млн т выбросов парниковых газов и создание 30 тыс. рабочих мест до 2030 г. В «дорожной карте» представлены конкретные меры по ускорению развертывания СНЭ в штате.

В их числе финансовое стимулирование внедрения накопителей путем изменения коммунальных тарифов для «отражения экологических преимуществ» и сохранения работоспособности системы, которые СНЭ привносят в сетевое хозяйство. Изменения касаются отраслевого регулирования, они направлены на эффективное интегрирование накопителей как участников оптовых и розничных рынков электроэнергии и мощности.

Китай. В 2016 г. был утвержден Национальный 5-летний энергетический план [24], продолживший в части СНЭ вектор развития, заложенный в предшествовавшем National Energy Technology 12th Five-Year Plan, в котором определены ключевые технологии СНЭ и НИОКР, предполагающие реализацию демонстрационных проектов. Основные усилия страны в сфере опытно-промышленных объектов сосредоточены на проектах по установке хранения энергии на сжатом воздухе, а также проектах маховика, магнитного суперконденсатора, никель-солевого аккумулятора, проточного аккумулятора (на 1 МВт) [25].

В качестве ключевых направлений и проектов НИОКР определены:

• •    разработка металл-воздушных или любых более современных технологий;

• •    разработка технологий крупномасштабного сверхкритического аккумулятора на сжатом воздухе;

• •    дальнейшее развитие ионообменных мембран для проточных аккумуляторов;

• •    создание платформы для разработки технологических и инженерных стандартов;

• •    разработка платформы для защиты интеллектуальной собственности СНЭ;

• •    налаживание и развитие широкой международной кооперации и сотрудничества в области новых технологий СНЭ.

Китайское правительство уже поддержало ряд пилотных проектов, таких как Zhangbei National Wind Solar and Energy Storage Demonstration Project (100 МВт ветровой энергии, 40 МВт солнечной и 20 МВт аккумуляторы), пилотные проекты накопителей в Guangdong и Hunan (на 10 МВт), а также большое количество небольших по масштабу проектов СНЭ, интегрированных с солнечными батареями.

Согласно изданному в 2017 г. «Руководству по продвижению технологий хранения энергии и развитию соответствующей промышленности» (Guidance on the Promotion of Energy Storage Technology and Industry Development) в течение следующих 5 лет планируется ускорение развития накопителей энергии в Китае [26]. Кроме того, Национальной комиссией по развитию и реформам (National Development and Reform Commission) к концу 2020 г. предусмотрена реализация пилотных проектов по строительству систем накопления энергии на 100 МВт, функционирующих основе ванадиевых проточных аккумуляторов и дальнейшим масштабированием аналогичных проектов.

Для стимулирования инновационных разработок в Китае используются следующие механизмы поддержки:

• •    утверждено положение об обязательном использовании части освобождаемой от налога прибыли на инновационные цели;

• •    создан координационный административный орган инновационной деятельности малого и среднего предпринимательства (МСП);

• •    предоставлены налоговые преференции для инновационных МСП;

• •    созданы системы финансовой поддержки инновационных МСП;

• •    обеспечено консультационное и техническое обслуживание инновационных МСП;

• •    созданы бизнес-инкубаторы для поддержки быстроразвивающихся инновационных МСП;

• •    приняты меры по содействию государства в организации венчурных фондов для финансирования инновационных МСП (наиболее крупный – Sinovation Ventures).

Другой мерой государственной поддержки отрасли хранения энергии является прямое государственное финансирование проектов и разработок. В частности, реализованы демонстрационные проекты по работе солнечной станции в паре с аккумуляторной батареей; развитию технологии стабилизации производства ветровой энергии за счет СНЭ; верификации работы СНЭ с крупными солнечными станциями; созданию крупных систем аккумулирования энергии с приоритетом на удешевление технологий.

В течение последних лет центральное правительство Китая реализовало ряд проектов поддержки СНЭ. При этом большая часть китайской политики основывается на целевых показателях, установленных в 5-летних программах развития. Соответственно большинство регламентирующих документов связано с процессом промышленного планирования Китая.

В частности, в 2014 г. был утвержден Национальный 5-летний энергетический технологический план («National Energy Technology 12th Five-Year Plan»), в котором определены ключевые технологии СНЭ и НИОКР, далее вектор развития этих технологий был подтвержден в 13 пятилетних планах, запущенных в 2016 г. (с учетом плановых периодов) [27], включая «13th Five Year Plan for Power Sector Development».

Данные программные документы среди прочего содержат руководящие принципы или предложения, предназначенные для правительств провинций и городов по разработке собственных планов развития. Следуя этим общим рекомендациям, региональные и муниципальные органы власти реализуют локальные меры поддержки хранения энергии в своих 5-летних планах развития.

Из действующих регуляторных решений необходимо отметить, что в Китае объекты ГАЭС классифицируется как элементы системы передачи электрической энергии. Для объектов, введенных до 2004 г., устанавливается двухставочная система оплаты электрической энергии (более низкая цена для покупки энергии и высокая цена во время продажи).

Отдельно в стране с 2009 г. реализована поддержка электромобилей и подзаряжаемых гибридов, по числу которых Китай с 2016 г. занимает первое место в мире. Меры включают субсидии на покупку, налоговые льготы, сниженные тарифы на электроэнергию, бесплатную парковку, упрощенную регистрацию,