Роберт Л. Фарез* и Майкл И. Уэббер

Скачать оригинал статьи на английском языке

В последнее время растет интерес к использованию аккумуляторов энергии для хранения солнечной энергии с целью ее дальнейшего использования в домашних условиях для снижения зависимости от услуг традиционных ЖКХ. Однако немногочисленные исследования дали критическую оценку преимуществам и недостаткам, связанным с хранением солнечной энергии, вместо того, чтобы направить ее в местные энергосети, как это обычно делается сегодня. В настоящей статье мы хотим показать, что типовая система аккумуляторов может снизить потребление максимальной мощности на 8-32% и снизить подачу пиковой мощности на 5-42%, в зависимости от использования. Тем не менее, неэффективность систем хранения увеличивают ежегодное потребление энергии на 324-591 кВт/ч на одну потребляющую единицу в среднем. К тому же, эксплуатация системы хранения косвенно увеличивает выбросы на 153-303 кг CO₂, 0.03-0.20 кг SO₂ и 0.04-0.26 кг NO_x на каждую потребляющую единицу в Техасе ежегодно. Таким образом, бытовой накопитель энергии автоматически не снизит выбросы или потребление энергии, кроме случаев прямого обеспечения возобновляемой энергии.

В последние годы растет интерес к хранению энергии, получаемой от фотоэлектрических панелей, расположенных на крыше, в бытовой системе аккумуляторов для сведения к минимуму зависимости от энергосистем общего пользования. Ряд поставщиков пытались захватить этот развивающийся рынок, включая лидера в области производства электромобилей компанию «Tesla» и поставщика бытовых накопителей энергии «Sonnenbatterie» в Германии. В частности, «Tesla» сотрудничает с компанией «Green Mountain Power», одним из крупнейших поставщиков электроэнергии в штате Вермонт, предлагая бытовые накопители электроэнергии своим заказчикам; «Sonnenbatterie» сотрудничает с «Sungevity», крупнейшей частной компанией по производству солнечной энергии в Соединенных Штатах.

Несмотря на рост рынка бытовых накопителей энергии для солнечных панелей, устанавливаемых на крыше, отсутствуют четкие правила объединения фотоэлектрических систем, устанавливаемых на крыше, с энергосетью. Исследование результатов использования фотоэлектрических панелей, устанавливаемых на крыше, в Калифорнии показало, что даже при 100% внедрении (измеряемом, как соотношение между номинальной мощностью и пиковым потреблением), энергетическая компания «Pacific Gas and Electric» (PG&E) смогла поддерживать надлежащий уровень напряжения в своей системе, увеличивая количество операций по переключению ответвлений трансформатора под нагрузкой стоимостью US$442,000 ежегодно, или 0.007% от US$6 миллиардов, составляющих ее ежегодный бюджет на эксплуатацию и содержание системы. Эти результаты совпадают с предыдущими результатами воздействия внедрения фотоэлектрических устройств в распределительные сети в Калифорнии. К тому же, ряд исследований показали, что обновление проводников, обновление трансформатора или внедрение «интеллектуального» управления фотоэлектрическим инвертором могло быть использовано вместо накопителей для поддержания надлежащего напряжения в системе. Даже если накопители энергии были необходимы для объединения солнечных панелей, устанавливаемых на крыше, неясно, должны ли они устанавливаться на бытовом уровне.

Несмотря на тот факт, что накопитель энергии редко требуется для объединения солнечных панелей, устанавливаемых на крыше, существует значительный интерес в сборе солнечной энергии на месте для сведения к минимуму зависимости от энергосети и ввода солнечной энергии в электрическую сеть. Данное устройство широко изучалось в литературе, и является предложением первичной величины, которое предлагается бытовым потребителям поставщиками бытовых накопителей энергии.

Несмотря на то, что ряд исследований оценили преимущества накопителей энергии, которые сохраняют энергию от солнечных панелей, устанавливаемых на крыше, для снижения перегрузки по напряжению в распределительной сети и ограничения тарифов на коммунальные услуги, на количество энергии, потребляемое аккумуляторами во время эксплуатации и соответствующий объем выбросов, как правило, не обращают внимание. Одним существенным исключением стало исследование, проведенное в 2013 году, в результате которого было обнаружено, что свинцово-кислотные аккумуляторы, используемые вместе с солнечными панелями в Соединенном Королевстве, увеличат как потребление энергии от первичных источников, так и выбросы углекислого газа.

В данной статье мы критически оцениваем преимущества и недостатки использования литий-ионных аккумуляторов для хранения солнечной энергии, а также преимущества и недостатки снижения зависимости от энергетических компаний. Мы отталкивались от предыдущей работы, используя данные измерений использования электричества и производства 99 техасскими домашними хозяйствами, чтобы понять, как добавление накопителя энергии повлияет на расход энергии, энергопотребление, затраты на снабжение электроэнергией, а также выбросы CO2, SO2 и NO_x из электрической сети. Мы рассматриваем две разные модели накопителя и сравниваем результаты их работы. Мы также проводим сенситивный анализ, учитывая различные КПД накопителя, объемы накопителя энергии и мощность накопленной энергии, чтобы понимать действие накопителя энергии при разных сценариях.

Модель системы накопителя энергии

Устройство накопителя энергии, рассматриваемое в данной статье, сводит к минимуму взаимодействие между потребляющей единицей и ЖКХ путем максимального снижения передаваемой мощности от и отдачи в местную энергосеть в пользу потребителя электроэнергии в рамках увеличенного собственного потребления солнечной энергии, независимость от энергосети, а также сниженная чувствительность к сбоям в работе энергосети. Данное устройство широко изучалось в литературе, и является предложением первичной величины, которое предлагается бытовым потребителям поставщиками бытовых накопителей энергии.

Мы используем данные датчиков электроэнергии, взятых у 99 техасских домашних хозяйств за календарный 2014 год, с целью обнаружения, как бытовой накопитель будет работать с солнечными панелями для максимального снижения зависимости от ЖКХ. Эти данные помогают отследить использование электричества и производство солнечной энергии с одноминутным временным разрешением, позволяя нам понять, как накопитель энергии может реагировать на кратковременные колебания мощности. Данные собирались на добровольной основе некоммерческой организацией «Pecan Street», и находятся в свободном доступе для университетских исследователей через онлайн портал. Сводная статистика по 99 домашним хозяйствам в образце представлена в Дополнительной таблице 1.

Мы моделируем эксплуатацию бытового накопителя энергии, используя два разных метода: подход «целевого ноля», когда у аккумулятора нет информации о будущем уровне выработки солнечной энергии или энергопотреблении, и он пытается всегда снизить ввод в и потребление от энергосети до нуля; а также подход «минимизации мощности», когда система аккумулятора обладает точной информацией о будущем уровне энергопотребления и выработки солнечной энергии в течение дня, и планирует свою работу с целью сведения к минимуму сумму квадратов чистого энергопотребления от энергосети в течение всего дня. Кроме уровня предсказания, основное различие между этими двумя методами состоит в том, что «целевой ноль» пытается максимально увеличить количество часов, в течение которых домашнее хозяйство является полностью независимым от энергосети, в то время как подход «минимизации мощности» пытается свести к минимуму величину энергопотребления сети каждую минуту в течение дня равными частями ежеминутно, так что домашнее хозяйство не зависит от сбоев в энергосети, независимо от момента их возникновения. К тому же, режим «целевого ноля» ограничивает систему аккумуляторов исключительно зарядом солнечной энергией, в то время как режим «минимизации мощности» позволяет аккумулятору заряжаться от сети или солнечной энергией для снижения потребления в течение всего дня. На Рисунке 1 показана логика управления каждого метода работы, а также выбор выводов для одного домашнего хозяйства.

Рисунок 11: Логика управления моделью эксплуатации накопителя и выбор выводов. a, Метод «целевого ноля» обеспечивает переход от одной минуты к другой без предсказания будущего энергопотребления или выработки солнечной энергии и пытается довести чистое потребление в сети до ноля, по возможности, не нарушая ограничения по мощности и энергии аккумулятора. b, Метод «минимизации мощности» идеально предсказывает энергопотребление и выработку солнечной энергии на день вперед и использует программу оптимизации для сведения к минимуму суммы квадратов чистого потребления в сети в течение всего дня. Выбор выводов для каждого метода показан далее на графиках, где разрядке накопителя придается знак минус, а зарядке аккумулятора – знак плюс.

Эти два метода эксплуатации были выбраны, так как они представляют собой приемлемые, при этом четкие методы хранения солнечной энергии в домашних условиях для снижения зависимости от ЖКХ. В методе «целевой ноль» предпочтение отдается как можно большей независимости в работе на протяжении текущей минуты, в то время как метод «минимизации мощности» отдает предпочтение независимой работе на протяжении всего дня. Учитывая эти две возможные, при этом четкие стратегии эксплуатации, мы можем показать диапазон последствий, которые можно ожидать в отношении накопительных систем, которые работают в рамках крайних значений отсутствия прогнозов и четкого прогнозирования, представленных методами «целевой ноль» и «минимизация мощности» соответственно.

Обратите внимание, что оба эти режима эксплуатации ориентированы на клиента, пытаясь максимально снизить взаимодействие с ЖКХ. Ни один метод эксплуатации однозначно не рассматривает другие услуги на уровне энергосети, которые могли бы предлагаться распределенным накопителем энергии, или потенциальные экономические преимущества этих услуг. Несмотря на то, что мы понимаем тот факт, что выбранные методы эксплуатации накопителей не являются оптимальными чисто с экономической точки зрения или системного подхода, нашей целью является оценка определенного влияния хранения солнечной энергии в домашних условиях с целью минимизации зависимости от ЖКХ, так как это устройство представляет собой предложение первичной величины, предлагаемое бытовым потребителям поставщиками накопителей. Детальная информация о каждой такой модели эксплуатации представлена в разделе «Методы».

Для обеих моделей эксплуатации три параметра определяют бытовую систему накопления энергии: ее выходная мощность (P_расч.) в киловаттах, ее энергоемкость (E _расч.) в киловатт-часах, а также ее цикличность (АС к АС), КПД использования энергии (n_rt). В качестве базового варианта рассматриваемой системы аккумуляторов, мы устанавливаем эти параметры равными P_расч. = 3.3 кВт, E_расч. = 7 кВт/ч и n_rt = 85%, в соответствии с параметрами, заявленными для стандартной бытовой системы аккумуляторов для ежедневных цикличных применений. Мы также рассматриваем диапазон мощности P_расч.= 1-7 кВт, энергоемкости E_расч. = 1-7 кВт/ч, и эффективности цикличности n_rt = 70-100% в нашем сенситивном анализе, в соответствии с Дополнительным примечанием 1.

Рисунок 2: Влияние совокупного энергопотребления при добавлении накопителя энергии.

Накопитель энергии снижает величину энергетического потока в местную энергосеть путем накопления выработанной солнечной энергии для дальнейшего использования для бытовых целей. Когда накопитель работает в режиме «целевого ноля» (представлен синим цветом) без прогнозирования будущего электропотребления или выработки солнечной энергии, он снижает максимальное совокупное энергопотребление для 99 потребляющих единиц на 8%, а максимальный объем реверса мощности – на 5%. Когда накопитель работает в режиме «минимизации мощности» (представлен красным цветом) с четким прогнозированием, он снижает пиковое энергопотребление на 32%, а также снижает максимальный объем реверса мощности на 42%.

Рисунок 3: Влияние энергопотребления при добавлении накопителя энергии.

Увеличение энергопотребления, наблюдаемое у 99 потребляющих единиц, показано на гистограмме. Пунктирные линии обозначают среднее увеличение в целом по образцу, а затененные области обозначают 95% доверительных интервалов от ожидаемых средних значений в целом по всем потребляющим единицам, рассчитанных с помощью f-критерия Стьюдента. Среднее дополнительное потребление энергии, вызванное бытовым накопителем энергии, составляет 338 ± 14 кВт/ч в случае сценария эксплуатации «целевой ноль» и 572 ± 19 кВт/ч в случае сценария эксплуатации «минимизации мощности».

Влияние потребления мощности и расхода энергии

На рисунке 2 представлено влияние, которое бытовой накопитель энергии оказывает на среднее чистое потребление мощности (электрическая нагрузка минус выработка солнечной энергии) для этих 99 рассматриваемых домашних хозяйств. Когда бытовой накопитель энергии эксплуатируется в соответствии с режимом «целевой ноль», совокупное пиковое потребление снижается на 29 кВт или 8% от значения 378 кВт без накопителя до значения 349 кВт с накопителем. В режиме эксплуатации «минимизация мощности», накопитель энергии снижает уровень пикового потребления на 121 кВт или 32%. Таким же образом, максимальное значение реверса мощности снижается на 17кВт или 5%, когда накопитель работает в режиме «целевой ноль» против 158 кВт или 42%, когда накопитель работает в режиме «минимизация мощности». Результаты, представленные на Рисунке 2, относятся к рассматриваемому базовому варианту системы аккумуляторов (P_{расчет.} = 3.3 кВт, E_{расчет.} = 7 кВт/ч и n_rt = 85%). На дополнительных рисунках 6-8 показано, как изменение энергоемкости, допустимой мощности и эффективности накопительных систем влияет на их способность снижать совокупное пиковое энергопотребление и инжекции.

Изменение совокупного энергопотребления является важным критерием для электроэнергетической компании, которая должна настроить распределительное устройство для соблюдения ожидаемой максимальной величины чистого электропотребления. Однако бытовым потребителям электричества, как правило, выставляются счета не за потребленную ими энергию в киловаттах, а за их суммарное потребление энергии в киловатт-часах. Таким образом, мы рассматриваем влияние на потребление энергии бытового накопителя на каждого заказчика по отдельности. На Рисунке 3 изображено изменение ежегодного энергопотребления после добавления накопителя в каждом из 99 домашних хозяйств, при работе в двух рассматриваемых режимах эксплуатации. Принимая во внимание, что бытовой накопитель энергии потребляет некоторое количество энергии каждый раз, когда он заряжается и разряжается, ежегодное потребление энергии увеличивается в каждом домашнем хозяйстве. Среднее увеличение ежегодного потребления энергии в 99 домашних хозяйствах составляет 338 кВт/ч, когда накопитель работает в режиме «целевой ноль», и 572 кВт/ч, когда накопитель работает в режиме «минимизация мощности», изображенном пунктирными вертикальными линиями на Рисунке 3. Данное увеличение равно 8% и 14% соответственно от среднегодового чистого энергопотребления исследуемыми домашними хозяйствами. Мы вычисляем 95% доверительных интервалов для соответствующего среднего значения с помощью t-критерия Стьюдента. В результате получаем оценку среднего дополнительного ежегодного энергопотребления в объеме 338 ± 14 кВт/ч в режиме эксплуатации «целевой ноль» и 572 ± 19 кВт/ч в режиме эксплуатации «минимизация мощности». На дополнительных рисунках 9-11 изображено влияние изменения энергоемкости, допустимой мощности и эффективности рассматриваемых накопительных систем на среднее увеличение энергопотребления. Обратите внимание, что среднее увеличение энергопотребления, вызванное добавлением накопителя, является небольшим, по сравнению со средним снижением после дополнительной установки солнечных панелей, в первую очередь, согласно описанию в Дополнительном примечании 2 и изображению на Дополнительном рисунке 32. Таким образом, накопитель энергии, который напрямую включает фотоэлектрические панели, устанавливаемые на крыше, может привести к снижению чистого энергопотребления домашним хозяйством, несмотря на то, что накопитель энергии, как правило, не требуется.

Экономические последствия

В дополнение к влиянию, которое бытовой накопитель энергии будет оказывать на потребление и расход электричества, мы также рассматриваем влияние, которое накопитель, используемый для изолирования потребителей от энергетической компании и увеличения потребления солнечной энергии, будет оказывать на стоимость снабжения потребителя электроэнергией. Необходимо отметить, что мы не рассматривали определенную структуру тарифов на услуги энергетической компании при выборе целевой функции для управления работой накопителя, так как наша цель состоит в представлении экономического влияния используемого накопителя для изолирования потребителя с солнечными панелями от энергетической компании, не связывая работу накопителя с определенным тарифом на услуги такой энергетической компании. Мы рассматриваем экономическое воздействие используемого накопителя в Остине, штат Техас (где были собраны показатели электросчетчиков для данной статьи), других районах Техаса, а также штатах Гавайи и Калифорния, где наблюдается значительное внедрение солнечных панелей, устанавливаемых на крыше, и которые являются наиболее вероятными кандидатами для размещения бытовых накопителей энергии в ближайшее время.

В таблице 1 отображается среднегодовая выгода потребителя и приведенная стоимость, рассчитанная для 99 рассматриваемых домашних хозяйств при основном сценарии 3,3 кВт, 7 кВт/ч, 85% рассматриваемой эффективной системы накопителя. Результаты представлены по семи различным тарифам на ЖКХ услуги в Техасе, а также для четырех тарифов компании «Hawaiian Electric Company» (HECO) и трем тарифам в Калифорнии. Обратите внимание, что Гавайи и Калифорния представлены только для информации, так как у устройства накопителя, которое работает в этих регионах, характер использования и выработки электричества отличается от образцов устройств в техасских домашних хозяйствах. По каждому тарифу, примерный тариф на потребление и вводный тариф представлены в центах США за киловатт-час. Эти приблизительные значения основаны на среднемесячном потреблении и производстве, измеренном в наших образцах. Значения, указанные в колонке среднегодовой льготы для потребителя, и приведенная стоимость рассчитываются на основании точного ежемесячного потребления электричества каждым домашним хозяйством и точным структурам тарифов каждой энергетической компании, которые обычно включают объемные дифференцированные ставки, сезонные ставки и другие тонкости, которые трудно формулировать здесь. В таблице 1 мы представляем читателю ссылки по каждому тарифу.

В целом, использование накопителя для увеличения потребления солнечной энергии на месте, обеспечивает экономическое преимущество, когда тариф на потребление выше, чем вводный тариф. Максимальная приведенная стоимость, которая могла быть реализована в Техасе, составляет US$95 кВт/ч^-1 емкости накопителя. Если бы техасцы использовали тарифы на электроэнергию Мауи, максимальное значение увеличилось бы до US$287 кВт/ч^-1. Минимальная приведенная стоимость, соблюдаемая по тарифам на электроэнергию в Техасе, составляет -US$60 кВт/ч^-1. Если бы техасцы использовали тарифы на электроэнергию Калифорнии, минимальное значение опустилось бы до -US$143 кВт/ч^-1. Стоимость с монтажом литий-ионной системы аккумуляторов, используемой для бытового применения, варьируется примерно от US$700-US$1,800 кВт/ч^-1 емкости накопителя, где US$700 кВт/ч^-1 представляет собой низкую сметную стоимость для поставщика накопителей – лидера на рынке в 2016 году, а US$1,800 кВт/ч^-1 представляет собой высокую сметную стоимость, зарегистрированную в Министерстве энергетики США в 2013 году в его Руководстве по накопителям энергии. Таким образом, ни при каких обстоятельствах, рассматриваемых в настоящей статье, накопитель не мог бы обеспечить достаточной прямой экономической выгоды для потребителя для покрытия стоимости его начальных капиталовложений. Приведенная стоимость должна упасть ниже US$100 кВт/ч^-1 от емкости накопителя, чтобы потребитель получил выгоду по текущим техасским тарифам на электроэнергию. Детали экономических расчетов, проведенных для получения данных, представленных в Таблице 1, указаны в разделе «Методы». Полный диапазон льгот для потребителя, рассчитанных для 99 домашних хозяйств по каждому тарифу на услуги энергетической компании, представлен на Дополнительных рисунках 14-27.

Таблица 11 Экономические последствия в результате добавления накопителя энергии.

Электроэнергетическая компания	Название тарифа	Примерный тариф потребления (US¢ кВт/ч-1)	Примерный льготный тариф (US¢ кВт/ч-1)	Среднегодовая льгот (US$ год-1)	Приведенная стоимость за десять лет (US$кВт/ч-1)	Среднегодовая льгот (US$ год-1)	Приведенная стоимость за десять лет (US$кВт/ч-1)
Austin Energy	Value of Solar	9.0	10.9	-31	-32	-57	-58
San Antonio - CPS Energy	Измерение чистой энергии	9.8	9.8	-27	-27	-49	-50
MP2 Energy + Oncor	Измерение чистой энергии	10.1	10.1	-34	-35	-58	-60
MP2 Energy + Oncor	Выкуп чистой энергии	8	3.6	78	80	57	58
MP2 Energy + Centerpoint	Выкуп чистой энергии	8.8	3.6	93	95	70	72
TXU Energy + Oncor	Кредит на чистую энергию	11.4	7.5	50	51	24	25
TXU Energy + Centerpoint	Кредит на чистую энергию	9.9	7.5	21	21	-1.9	-1.9
HECO - Гавайи/Оаху	Подача электропитания потребителю	22.4	15.1	107	110	58	59
HECO – Мауи	Подача электропитания потребителю	33.8	17.16	280	287	207	212
HECO – Молокай	Подача электропитания потребителю	39.0	24.07	251	258	165	169
HECO – Ланай	Подача электропитания потребителю	43.4	27.88	233	239	140	143
Калифорния - PG&E	Измерение чистой энергии	28.1	28.1	-72	-74	-140	-143
Калифорния - SDG&E	Измерение чистой энергии	27.9	279	-71	-73	-139	-143
Калифорния - SCE	Измерение чистой энергии	20.9	20.9	-55	-57	-105	-107

Мы используем тарифы на услуги энергетической компании из Техаса, Гавайи и Калифорнии, чтобы показать, как эксплуатация накопителя энергии, представленная в данной статье, повлияет на стоимость снабжения электроэнергией для потребителей. Обратите внимание на то, что варианты для Гавайи и Калифорнии представлены только в качестве информации, так как здесь накопитель будет иметь другой профиль нагрузки и выработки, по сравнению с накопителями в домашних хозяйствах из Техаса, рассматриваемыми в данной статье. Приведенная стоимость бытовой системы накопителя энергии должна опуститься ниже US$100 кВт/ч^-1 для обеспечения выгоды при текущих тарифах на электроэнергию в Техасе.

Влияние выбросов электрической системы

В дополнение к влиянию, которое бытовой накопитель энергии имеет на потребление и расход энергии, мы также рассматриваем косвенное влияние, которое он будет оказывать на выбросы, отнесенные к электроэнергетическому сектору промышленности. Так как рассматриваемые домашние хозяйства находятся в Техасе, мы используем предельные коэффициенты выбросов, рассчитанные для техасской электрической системы на основании данных наблюдения за выбросами, полученных Управлением по охране окружающей среды США, для приблизительного расчета изменения в выбросах, связанных с почасовыми изменениями в потреблении электроэнергии, вызванных бытовым накопителем энергии. В этих данных выбросы представлены в килограммах CO₂, SO₂ и NO_x на мегаватт-час незначительного изменения в потреблении электроэнергии при 5% квантилей выработки электроэнергии тепловыми электростанциями, измеренными в режиме онлайн в гигаваттах. Мы используем эти данные для приблизительного расчета предельных коэффициентов выбросов за каждый час в году, сравнивая их с измеренным почасовым уровнем выработки электроэнергии тепловыми электростанциями в техасской электроэнергетической системе за 2014 год. Полученные почасовые предельные коэффициенты выбросов используются для расчета того, как добавление бытового накопителя энергии повлияет на ежегодные выбросы для каждого рассматриваемого домашнего хозяйства. В разделе «Методы» детально обсуждаются эти расчеты. Предельные коэффициенты выбросов для техасской электроэнергетической системы представлены на Дополнительных картинках 28-31.

Мы обнаружили, что добавление накопителя энергии в домашнем хозяйстве с имеющимися солнечными панелями, устанавливаемыми на крыше, в техасской электроэнергетической системе увеличит уровень ежегодных выбросов CO₂, SO₂ и NO_x для среднего домашнего хозяйства. В случае эксплуатации накопителя в режиме «целевой ноль», средний объем его выбросов составит 160 ± 7 кг CO₂, 0.05 ± 0.02 кг SO₂ и 0.05 ± 0.01 кг NO_x на каждое домашнее хозяйство в год. В случае эксплуатации накопителя в режиме «минимизации мощности», средний объем его выбросов увеличится до 290 ± 13 кг CO₂, 0.16 ± 0.04 кг SO₂ и 0.24 ± 0.02 кг NO_x на каждое домашнее хозяйство в год. Полный диапазон выбросов по всем 99 домашним хозяйствам изображен на Рис. 4. Сенситивный анализ влияния выбросов на параметры системы накопителя энергии представлены на Рис. 5 и Дополнительных рисунках 12 и 13. Обратите внимание на то, что добавление накопителей в домах, где уже установлены солнечные панели, приводит к увеличению выбросов в среднем, наблюдаемое увеличение меньше, чем среднее уменьшение выбросов в результате предварительной установки солнечных панелей, как показано в Дополнительном примечании 2 и отражено на Дополнительных рисунках 33-35. Однако накопитель энергии, как правило, не требуется для объединения с солнечными панелями.

Изменение уровня выбросов в сети в результате установки бытового накопителя энергии вызвано двумя отдельными факторами: дополнительным потреблением энергии, необходимым для покрытия низкого КПД накопителя, и тем фактом, что накопитель сдвигает потребление электроэнергии во времени и меняет генераторы, которые используются для производства энергии от солнечных панелей, установленных на крыше.

Для того чтобы измерить, какой уровень влияния выбросов от бытового накопителя энергии вызван его энергопотреблением, по сравнению с его периодическим воздействием на потребление электричества, мы проверили чувствительность влияния выбросов CO₂, SO₂ и NO_x на циклическую эффективность системы накопителя АС-АС. Результаты данного анализа представлены на Рис. 5. Среднее воздействие выбросов, рассчитанное по всем 99 домашним хозяйствам, изображено сплошными линиями, а 95% интервалов доверия соответствующего среднего значения отображены затененными областями вокруг каждой линии. Мы также рассчитали чувствительность воздействия выбросов на допустимую мощность и энергоемкость накопителя. Эти результаты представлены на Дополнительных рисунках 12 и 13.

В режиме эксплуатации «целевой ноль», накопитель может снизить выбросы SO₂ и NO_x, если его циклическая эффективность АС-АС превысит 90%. Однако он не может снизить выбросы СО2, пока его эффективность не достигнет 100%. Чувствительность выбросов от эффективности использования энергии меняется в режиме эксплуатации «минимизации мощности», потому что аккумулятор заряжается и разряжается в разное время дня. В таком режиме эксплуатации накопитель может снизить выбросы SO2, если циклическая эффективность АС-АС превысит 95%, однако он не сможет снизить выбросы NO_x, даже если эффективность будет равна 100%, так как он передает больше энергии турбинам внутреннего сгорания.

Для информации, заявленная поставщикам литий-ионных накопителей циклическая эффективность АС-АС варьируется в диапазоне 80-93%, хотя эти значения могут быть оптимистичными, потому что они являются заявленными значениями, а не взятыми на месте эксплуатации накопителя. Циклической эффективности, превышающей 90%, будет трудно достичь в результате потерь в самом аккумуляторе, дополнительных потерь в системе стабилизации питания, которая преобразует передачу электроэнергии постоянного тока аккумулятора в передачу электроэнергии переменного тока, который подходит для энергосети, и дополнительная энергия необходима для теплового контроля для поддержания приемлемой температуры аккумуляторного блока. Таким образом, установка дополнительного накопителя энергии в домашних хозяйствах, где уже установлены фотоэлектрические панели, в Техасе, наиболее вероятно приведет к увеличению выбросов CO₂, SO₂ и NO_x.

 

Рисунок 4: Воздействие выбросов в результате установки дополнительного накопителя энергии. a-c,

Изменение в выбросах электрической системы CO2 (a), SO2 (b) и NO_x (c), наблюдаемых в 99 домашних хозяйствах, представлено в виде гистограмм. Пунктирные линии означают среднее воздействие, наблюдаемое в исследуемых домашних хозяйствах, а затененные области представляют 95% интервалы доверия среднего значения во всех домашних хозяйствах, рассчитанных с помощью f-критерия Стьюдента.

Обсуждение и заключения

Результаты наших исследований воздействия на энергопотребление бытового накопителя энергии показали, что он мог быть полезным инструментом для снижения уровня энергетического потока в местной энергосети. Данное снижение будет благоприятным для энергетической компании в двух областях: оно снизит требуемую емкость оборудования для поставки электроэнергии, такого как подстанции и трансформаторы, а также снизит необходимость в емкостях нового поколения для надежного соблюдения пикового энергопотребления. Эти преимущества больше, когда бытовой накопитель работает таким образом, который сводит к минимуму уровень энергетического потока каждого домашнего хозяйства по отдельности (эксплуатация в режиме «минимизации мощности») по сравнению с тем вариантом, когда бытовой накопитель работает на снижение энергетического потока между домашним хозяйством и энергетической компанией до ноля, по возможности (эксплуатация в режиме «целевой ноль»). Обратите внимание на то, что эти преимущества возникают, даже если накопитель работает, ориентируясь на потребителя, с целью сведения к минимуму зависимости потребителя от электросети. Если накопитель работает, предоставляя преимущества энергетической компании, не пытаясь изолировать потребителей, энергетическая компания получит еще большее преимущество.

Несмотря на то, что бытовой накопитель энергии является полезным инструментом для снижения энергетических потоков в распределительной системе, результаты наших исследований показывают, что это увеличит чистое потребление энергии вследствие неэффективности накопителя энергии. При общих тарифах на электроэнергию из возобновляемых источников, с потребителей взимается плата за солнечную энергию по ставке, равной ставке, взимаемой за энергопотребление, увеличение в энергопотреблении от накопителя приводит к увеличению счетов потребителей за коммунальные услуги, согласно данным в Таблице 1. Однако в областях, где тариф, взимаемый за потребление, выше, чем вводный тариф на солнечную энергию, дополнительная установка накопителя может предоставить потребителю преимущества, несмотря на тот факт, что это приводит к более высокому потреблению в целом. Эти примеры отражают текущую ситуацию в Германии, где вводный тариф снизился в 2012 года ниже ставки, взимаемой за потребление электроэнергии, поощряя установку бытового накопителя. При текущих тарифах на коммунальные услуги в Техасе, базовый вариант системы накопителя энергии обладает максимальной приведенной стоимостью US$95 кВт/ч^-1 для типового домашнего хозяйства. Это значение намного ниже, чем текущая приведенная стоимость бытовой системы накопителя (US$700-US$1,800 кВт/ч^-1 от емкости накопителя), таким образом, накопитель не может обеспечить прямое экономическое преимущество для потребителей Техаса при действующих тарифах. Стоит отметить, что преимущество для потребителя в случае дополнительной установки накопителя энергии оказалось выше, когда он работает в соответствии с режимом «целевого ноля», даже при условии, что этот режим дает меньше преимущества для энергетической компании в плане уменьшения потребления энергии и инжекций. Данный результат указывает на то, что энергетическим компаниям может быть полезно установить плату за мощность для бытовых потребителей, у которых установлен накопитель энергии, чтобы побудить к снижению энергопотребления и инжекций.

Так как накопитель энергии снижает мощность в киловаттах энергетических потоков в местной энергосети, но увеличивает продажу электроэнергии в киловатт-часах, в интересах энергетической компании, чтобы потребители с солнечными панелями установили бытовой накопитель. Несмотря на то, что установка дополнительного накопителя действительно снижает зависимость потребителя от энергетической компании, предыдущий анализ показал, что массовый уход от энергетической компании маловероятен вследствие высокой стоимости фотоэлектрических панелей и накопителя энергии для обеспечения 100% независимости, а также из-за преимуществ в объединенной сети электропередач, которая может сбалансировать выработку энергии потребителем с потреблением и позволить потребителю-производителю продавать излишки электроэнергии. Таким образом, возможно, что накопитель энергии может предоставить решение для разрушения бизнес-моделей энергетических компаний в случае увеличения использования распределенного производства электроэнергии. В будущих работах необходимо изучить потенциальное решение для использования накопителя с пользой для энергетических компаний.

Результаты наших исследований воздействия выбросов при дополнительной установке накопителя энергии в домашних хозяйствах Техаса при наличии фотоэлектрических панелей показали увеличение выбросов CO₂, SO₂ и NO_x во всей электросети вследствие смещения во времени энергопотребления и дополнительной электроэнергии, необходимой для покрытия неэффективности системы накопителя. Изменение структуры местного производства электроэнергии может изменить воздействие выбросов бытового накопителя, однако маловероятно, что накопитель может снизить выбросы, если только он напрямую не предусматривает установку новых экологически чистых генераторов или обеспечивает производство электроэнергии из экологически чистых источников. Данные результаты согласуются с предыдущей работой, в которой исследовалось влияние системы магистрального накопителя электроэнергии, используемой для спекуляции на разнице в ценах на оптовых рынках электроэнергии.

Несмотря на то, что фотоэлектрические системы, устанавливаемые на крыше, которые используются сегодня в энергосети США, не требуют наличия бытового накопителя, существуют немногочисленные примеры, когда накопитель может обеспечить более широкое использование фотоэлектрических панелей. Например, в октябре 2015 года Комиссия коммунальных предприятий Гавайи завершила свою программу измерения чистой электроэнергии вследствие проблем, связанных с влиянием все большего использования солнечных панелей, устанавливаемых на крыше, на работу электросети и тарифы на коммунальные услуги. Тариф на электроэнергию из возобновляемых источников был заменен тарифом «самостоятельного электроснабжения» для потребителей, которые используют всю свою выработанную солнечную энергию на месте, а также тариф «электроснабжения от сети», который ниже розничной цены на электроэнергию, передаваемую в сеть от солнечных панелей. Отсутствует ограничение по количеству потребителей, которые могут установить солнечные панели по тарифу «самостоятельного электроснабжения», однако количество установок по тарифу «электроснабжения от сети» ограничено. Таким образом, в случае с Гавайями, бытовой накопитель может позволить большему количеству потребителей подключить солнечные панели по тарифу «самостоятельного электроснабжения» и косвенно снизить выбросы от энергосистемы. Однако необходимо отметить, что изменение правил на Гавайях было вызвано как техническими вопросами, связанными с объединением солнечных панелей, так и вопросами экономической целесообразности, связанной с тарифами на электроэнергию из возобновляемых источников. К тому же, Гавайи являются уникальным примером, где высокие цены на электричество, исключительные солнечные ресурсы и прогрессивная энергетическая политика делают установку солнечных панелей на крыше достаточно привлекательной для потребителей, при этом небольшая электросеть острова и изоляция от материка усиливает проблемы, связанные с объединением сети.

В будущем регламентирующие органы, политики и другие ответственные лица постараются оценить влияние накопителей энергии отдельно от воздействия фотоэлектрических панелей или других возобновляемых источников энергии. Так как накопитель энергии является потребителем энергии, а не производителем, наиболее вероятно, что это не уменьшит уровень выбросов или потребление первичной энергии, кроме случаев, когда это позволит устанавливать временные возобновляемые источники энергии. Будет полезным для будущих исследований оценить затраты на контроль выбросов, преимущества и недостатки, связанные с использованием накопителя энергии для объединения временных возобновляемых источников энергии, по сравнению с другими гибкими источниками, такими как выработка электроэнергии, обеспечивающая возможность диспетчерского управления, операции по изменению отводов трансформатора, новейшие инверторы, контролируемые нагрузки, а также другие устройства контроля мощности и напряжения.