ПРИМЕНЕНИЕ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ГИБКОСТИ СИСТЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

УДК 621.3.018.7
DOI 10.57112/E251-901

Вастьянов Никита Максимович, Павличенко Илья Александрович 

Аннотация:
В условиях активного роста доли возобновляемых источников энергии (ВИЭ) возникают серьёзные вызовы, связанные с их нестабильной природой генерации. Важнейшей задачей становится создание надежных механизмов выравнивания временного несоответствия производства и потребления электроэнергии. Современные накопители энергии нового поколения, такие как твердые аккумуляторы и суперконденсаторы, предлагают эффективные пути решения этих проблем. Цель настоящей статьи – провести глубокий анализ новейших технологий накопителей энергии, рассмотреть их особенности и предложить концептуальную модель их интеграции в энергосистемы, направленную на повышение надежности и гибкости распределительных сетей с высоким уровнем проникновения ВИЭ. В работе использованы методы сравнительного анализа, математического моделирования динамики заряда-разряда и сценарного анализа. Результаты показали, что интегрированные системы на основе твердотельных накопителей и суперконденсаторов способны снизить амплитуду суточных колебаний мощности на 40–65% и повысить коэффициент готовности системы до 98,7%, обеспечивая окупаемость инвестиций в пределах 5–7 лет.

Ключевые слова: накопители энергии, возобновляемые источники энергии, надёжность, гибкость энергосистем, проточные батареи, твердотельные аккумуляторы, суперконденсаторы.

APPLICATION OF NEW-GENERATION ENERGY STORAGE SYSTEMS FOR IMPROVING THE RELIABILITY AND FLEXIBILITY OF RENEWABLE ENERGY SYSTEMS

Vastyanov Nikita Maksimovich, Pavlichenko Ilya Aleksandrovich

Abstract:
The active growth in the share of renewable energy sources (RES) presents significant challenges due to their inherent generation intermittency. Creating reliable mechanisms to balance the temporal mismatch between electricity production and consumption becomes a critical task. Modern new-generation energy storage systems, such as solid-state batteries and supercapacitors, offer effective solutions to these issues. This paper aims to conduct an in-depth analysis of the latest energy storage technologies, examine their characteristics, and propose a conceptual model for their integration into power systems, aimed at enhancing the reliability and flexibility of distribution grids with a high penetration of RES. The research employs methods of comparative analysis, mathematical modeling of charge-discharge dynamics, and scenario analysis. The results demonstrate that integrated systems based on solid-state storage and supercapacitors can reduce the amplitude of daily power fluctuations by 40–65% and increase the system availability factor to 98.7%, ensuring a return on investment within 5–7 years.

Keywords: energy storage, renewable energy sources, reliability, power system flexibility, flow batteries, solid-state batteries, supercapacitors.

Стремительный глобальный энергопереход, прогнозируемый Международным энергетическим агентством с достижением доли возобновляемых источников энергии (ВИЭ) до 50% к 2030 году [1], обостряет проблему интеграции нерегулируемых (переменных) генерирующих мощностей.

Возрастающая доля ВИЭ в энергобалансе усиливает нестабильность сети, создавая вызовы для традиционных методов управления, основанных на маневренных тепловых электростанциях. Прерывистый характер генерации солнечных и ветровых электростанций приводит к частым дисбалансам, колебаниям частоты и напряжения, требующим оперативной компенсации [1]. Существующие решения, такие как свинцово-кислотные батареи, зачастую обладают недостаточной скоростью отклика и ограниченным ресурсом, что снижает экономическую эффективность ВИЭ [2].

В этой связи накопители энергии (НЭ) нового поколения приобретают ключевое значение как инструмент динамической балансировки. Целью настоящего исследования является разработка и анализ концептуальной модели применения современных НЭ – проточных батарей, твердотельных аккумуляторов и суперконденсаторов – для повышения надёжности и гибкости систем на основе ВИЭ. Научная новизна заключается в создании методики комплексной оценки гибкости энергосистем с интегрированными накопителями, учитывающей их комплементарные характеристики. Работа предусматривает решение следующих задач: 

1) сравнительный анализ технологий НЭ нового поколения; 
2) разработка математической модели их интеграции в микросети; 
3) оценка технико-экономической эффективности и формулирование практических рекомендаций.

Методологической основой исследования послужил комплексный подход, сочетающий качественный сравнительный анализ с количественным моделированием. На первом этапе проведён обзор и систематизация характеристик перспективных технологий накопления энергии на основе научных публикаций и отчётов профильных агентств [1, 2, 4].

На втором этапе для оценки эффективности интеграции разработана математическая модель микросети с ВИЭ и гибридным накопителем. Модель основана на дифференциальных уравнениях, описывающих динамику заряда-разряда твердотельного накопителя с учётом деградации [3], и алгоритмах оптимального управления, минимизирующих отклонения мощности [6]. Входными данными выступили реальные временные ряды генерации ветровой и солнечной электростанций, а также профили нагрузки. Для обработки данных и численного решения использована среда MATLAB/Simulink.

На третьем этапе проведён сценарный анализ, включающий различные режимы работы (островной, сетевой), уровни проникновения ВИЭ и профили генерации. Экономическая оценка выполнена методом дисконтированных денежных потоков (NPV, срок окупаемости) с учётом капитальных и операционных затрат, а также стоимости замещения пиковой генерации [5].

Сравнительный анализ технологий

Установлено, что каждая из рассмотренных технологий НЭ занимает специфическую нишу в обеспечении гибкости. Проточные батареи (ванадиевые редокс-системы) оптимальны для долгосрочного (4–10 и более часов) хранения и сглаживания суточных колебаний благодаря независимому масштабированию энергии и мощности, долговечности (>20 лет) и пожаробезопасности. Твердотельные аккумуляторы перспективны для среднесрочного хранения (от 1 до 4 часов) в условиях, где критичны высокая плотность энергии (потенциально >500 Вт·ч/кг) и безопасность. Суперконденсаторы незаменимы для компенсации секундных и минутных флуктуаций, частотного регулирования благодаря рекордной удельной мощности (>10 кВт/кг) и практически неограниченному ресурсу циклов.

Результаты моделирования

Математическое моделирование гибридной системы (твердотельный накопитель и суперконденсатор) в микросети с ВИЭ продемонстрировало её высокую эффективность. Результаты моделирования в течение характерных суток, отражающие баланс мощностей, представлены на рисунке 1.

На приведенном рисунке по вертикальной оси указана мощность (кВт), а по горизонтальной − время (часы). График иллюстрирует динамику четырёх ключевых параметров:

«Генерация ВИЭ» (синий) − суммарная мощность от солнечных и ветровых установок;
«Нагрузка» (красный) − потребляемая мощность в микросети;
«Мощность от накопителя» (зелёная сплошная линия) − мощность, отдаваемая (положительные значения) или потребляемая (отрицательные значения) гибридной системой хранения энергии (HESS);
«Обмен с сетью» (серая сплошная линия) − результирующая мощность, поступающая из внешней сети (положительные значения) или экспортируемая в неё (отрицательные значения).

Рисунок 1 - Компенсация дисбаланса между генерацией ВИЭ и нагрузкой в микросети с помощью гибридного накопителя энергии.

Анализ графика показывает, как накопитель эффективно компенсирует дефицит и избыток мощности. Как видно на рисунке 1, в ночные и утренние часы (приблизительно с 0:00 до 6:00) наблюдается дефицит генерации ВИЭ относительно нагрузки. Этот дефицит полностью компенсируется разрядом гибридного накопителя (положительная зелёная область), что позволяет избежать пикового потребления из внешней сети. В дневные часы (примерно с 10:00 до 16:00) избыточная генерация от солнечных станций направляется на заряд накопителя (отрицательная зелёная область). Ключевой результат заключается в том, что благодаря работе HESS результирующий обмен с основной сетью (красная линия) демонстрирует минимальные колебания вокруг нулевого значения, что наглядно иллюстрирует эффект сглаживания пиков и провалов мощности.

В результате сценарного анализа на основе данных моделирования установлено, что интеграция НЭ позволяет снизить амплитуду суточных колебаний мощности на 40–65% в зависимости от погодных условий.

Оценка надёжности показала, что система с гибридным накопителем способна компенсировать прогнозируемые провалы генерации, повышая её коэффициент готовности до 98,7%, что соответствует целевому показателю повышения надёжности ветрогенерации на 25%.

В сравнительной таблице технологий НЭ приведены данные синтезированы на основе использования обзоров [1, 2], а также других открытых научных публикаций и источников. 

Для Твердотельных аккумуляторов указаны перспективные/ожидаемые значения, так как технология находится в стадии активной разработки [2].

Экономическая оценка

Сравнительный анализ показал, что, несмотря на высокие первоначальные капиталовложения, гибридные системы на основе НЭ нового поколения позволяют сократить операционные затраты на 15–25% по сравнению с использованием только пиковых газотурбинных установок. За счёт оптимизации режимов и снижения потерь на резервирование, срок окупаемости подобных проектов в условиях региональных сетей РФ оценивается в 6–8 лет. Особенно эффективным является совместное использование разнотипных ВИЭ (солнце-ветер), что позволяет сократить требуемую ёмкость накопителей в 2,5–3,5 раза и, соответственно, капитальные затраты [5].

Таблица 1 - Сравнительные характеристики перспективных технологий накопления энергии для интеграции с ВИЭ

Примечание: Для пересчёта таблицы 1 использовался средний курс, соответствующий условиям анализа на 2024 год (1 USD ≈ 75 RUB).


Полученные результаты подтверждают гипотезу о том, что синергетический эффект от применения комплементарных технологий накопления (например, твердотельный аккумулятор для энергии + суперконденсатор для мощности) превосходит возможности любой отдельной технологии, применяемой самостоятельно. Предложенная модель адекватно описывает динамику системы и позволяет количественно оценить вклад накопителей энергии (НЭ) в повышение гибкости энергосистемы. Снижение колебаний мощности на 40–65% напрямую уменьшает нагрузку на сетевое оборудование и снижает потребность в традиционном резервировании.

Выявленные экономические показатели (срок окупаемости 6–8 лет) делают технологию инвестиционно-привлекательной, особенно для изолированных и слабых сетей Дальнего Востока и Арктики, где стоимость топлива и логистики высока [4]. Однако ключевыми ограничениями для массового внедрения остаются высокая капиталоёмкость, необходимость адаптации нормативной базы для учёта услуг быстрого регулирования, а также технологические вызовы, связанные с массовым производством твердотельных аккумуляторов и стандартизацией гибридных систем [2].

Проведённое исследование имеет ряд ограничений: модель использует усреднённые стоимостные показатели, которые подвержены колебаниям рынка; не в полной мере учтены долгосрочные эффекты деградации всех компонентов гибридной системы. Тем не менее, работа формирует прочную основу для дальнейших, более детальных исследований, включая разработку цифровых двойников конкретных энергорайонов.

Заключение

В результате проведённого исследования доказана высокая эффективность накопителей энергии нового поколения (проточных батарей, твердотельных аккумуляторов, суперконденсаторов) для решения проблемы нестабильности (переменности) генерации ВИЭ. Комплексный анализ и математическое моделирование показали, что их интеграция в энергосистемы позволяет:

1.    Существенно повысить техническую надёжность: снизить амплитуду колебаний мощности на 40–65% и довести коэффициент готовности системы до 98,7%.
2.    Обеспечить экономическую целесообразность: сократить операционные затраты на 15–25% и достичь срока окупаемости в 6–8 лет за счёт оптимизации режимов и замещения дорогой пиковой генерации.
3.    Сформировать основу для создания устойчивых автономных микросетей, критически важных для удалённых регионов.

Перспективными направлениями дальнейших исследований являются углублённый анализ долгосрочной деградации гибридных систем, разработка адаптивных алгоритмов управления на основе искусственного интеллекта и детальная оценка экологического жизненного цикла (LCA) технологий накопления. Реализация предложенных рекомендаций по адаптации нормативной базы и целевой поддержке пилотных проектов будет способствовать успешной интеграции ВИЭ и построению гибкой, устойчивой и технологически независимой энергетической системы России.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.    Бертелсен Н., Дьёруп С. Р., Санчеc-Гарсия Л. и др. Интеграция низкотемпературных возобновляемых источников энергии в системы районного энергоснабжения. Абу-Даби: Международное агентство по возобновляемым источникам энергии, 2021.
2.    Зырянов В. М., Кирьянова Н. Г., Коротков И. Ю. и др. Системы накопления энергии: Российский и зарубежный опыт // Энергетическая политика. 2020. №6. С. 76–81.
3.    Ковалев В. З., Шицелов А. В., Хамитов Р. Н. Моделирование внутреннего состояния аккумуляторных батарей // Вестник Югорского государственного университета. 2025. №4. С. 64–71.
4.    Лазарев Н. И. Распределённая генерация и управление спросом: путь к устойчивой энергетике будущего // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: технические науки. 2024. №2. С. 67–72.
5.    Любчик О. А., Быстрых С. В., Казак А. Н. Оптимизация режима работы энергосистемы с использованием ВИЭ // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2023. №5. С. 423–432.
6.    Яхья М. А. К., Головкина А. Г. Энергосбережение в микросетях комбинированной генерации // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2024. №4. С. 446–466.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Вастьянов Н. М. – студент группы Э-24, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.
Павличенко И. А. – аспирант ЭФ, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.

ССЫЛКА ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ

Вастьянов, Н. М.  Применение накопителей энергии нового поколения для повышения надежности и гибкости систем возобновляемой энергетики / Н. М. Вастьянов, И. А. Павличенко // Энерджинет / ООО «МЦ ЭОР». – 2025. – № 1. URL: https://nopak.ru/251-901 (дата обращения: 20.12.2025). – Текст: электронный.