Argo Rosin, Siim Link, Hardi H천imoja, Imre Drovtar
ENERGIASALVESTID JA -SALVESTUSTEHNOLOOGIAD
Argo Rosin, Siim Link, Hardi H천imoja, Imre Drovtar
ENERGIASALVESTID JA -SALVESTUSTEHNOLOOGIAD
TALLINN 2015
Käesoleva raamatu väljaandmist on toetanud Elering AS Kaane kujundanud ja küljendanud Siiri Timmerman Toimetanud Kadri Sildmets
Autoriõigus: Argo Rosin, Siim Link, Hardi Hõimoja, Imre Drovtar ja Tallinna Tehnikaülikooli elektrotehnika instituut, 2015 ISBN 978-0049-23-759-3
Sisukord
SISUKORD 1
SISSEJUHATUS ..........................................................................................................7
2
ELEKTRISALVESTITE KASUTAMISE EESMÄRGID, VALDKONNAD JA MÕISTED ......... 8
2.1
Elektrisalvestite kasutamise eesmärgid ............................................................... 8
2.2
Elektri salvestustehnoloogiate kasutamine maailmas .......................................... 12
2.3
Taastuvenergiaallikad ja nende tootmiskõverad .................................................. 12 2.3.1 PV-süsteemide eripärad .............................................................................. 12 2.3.2 Tuuleelektrijaamade eripärad ..................................................................... 15 2.3.3 Salvesti arvutus PV-süsteemile ja tuuleelektrijaamale .................................. 18
2.4
Eri liiki koormused, nende tarbimiskõverad ja salvestusvõimalused..................... 21 2.4.1 Kodumajapidamistes .................................................................................. 21 2.4.2 Äri- ja teenindussektoris .............................................................................24 2.4.3 Tööstuses ..................................................................................................24
2.5
Elektrikvaliteet ja -salvestite kasutamine ............................................................26
2.6
Elektrisalvestite liigitus ja nende sobivus rakendustesse .....................................30
2.7
Elektrisalvestite parameetrid ja energiabilanss ...................................................32 2.7.1 Põhiparameetrid ........................................................................................32 2.7.2 Salvesti energiabilanss...............................................................................34
2.8
Laetus- ja tühjenemistase................................................................................... 35
3
ELEKTRISALVESTITE LIIDESED JA MUUNDURID .................................................... 36
3.1
Salvestite liidesed..............................................................................................36
3.2
Aku- ja ülikondensaatorpatareide jõuliidesed .....................................................38 3.2.1 Vahetult energiasiinile ühendatav langetus-tõstemuundur ...........................39 3.2.2 Vahelduvvoolu vahelüliga ülikondensaatorsalvesti ...................................... 41 3.2.3 Energiasiini, -salvesti ja koormuse rööpühendus ......................................... 41 3.2.4 Energiasiini, -salvesti ja koormuse kaskaadühendus ....................................42
3.3
Hooratas-salvesti jõuliides .................................................................................43
3
Sisukord
4
ELEKTRI SALVESTUSVIISID .................................................................................... 45
4.1
Mehaaniline energiasalvestus ............................................................................45 4.1.1 Hüdroakumulatsioonijaam ..........................................................................45 4.1.2 Maa-alune hüdroakumulatsioonijaam..........................................................47 4.1.3 Suruõhk-energiasalvestid .......................................................................... 48 4.1.4 Hooratas-energiasalvestid ..........................................................................52
4.2
Elektrostaatiline ja -magnetiline energiasalvestus ...............................................58 4.2.1 Ülikondensaator-energiasalvestid ...............................................................58 4.2.2 Ülijuhtivad energiasalvestid .......................................................................62
4.3
Keemiline energiasalvestus ...............................................................................64 4.3.1 Vesinik-energiasalvestid .............................................................................64 4.3.2 Sünteetilise gaasi salvestid ........................................................................67
4.4
Elektrokeemiline energiasalvestus......................................................................69 4.4.1 Aku-patarei energiasalvestid .......................................................................70 4.4.2 Läbivooluakud ..........................................................................................79
5
SOOJUSE SALVESTUSVIISID ................................................................................... 85
5.1
Termodünaamika põhimõisteid ..........................................................................85 5.1.1 Termodünaamika I seadus ...........................................................................85 5.1.2 Termodünaamika II seadus .........................................................................85 5.1.3 Entalpia .................................................................................................... 86 5.1.4 Entroopia .................................................................................................. 86 5.1.5 Süsteemi töövõime. Eksergia. Energia kvaliteet .......................................... 86
5.2
Salvestamise kontseptsioon ...............................................................................87
5.3
Energia salvestamise viisid soojuslike protsessidega ......................................... 89 5.3.1 Faasimuutuseta salvestamine .....................................................................90 5.3.2 Faasimuuseta salvestamise rakendus ..........................................................94 5.3.3 Faasimuutusega salvestamine ....................................................................97 5.3.4 Faasimuutusega materjalide rakendamine hoonete korral .......................... 103
5.4
Salvestamine keemiliste protsessidega ............................................................ 108 5.4.1 Keemilised reaktsioonid............................................................................ 108
4
Sisukord
5.4.2 Termokeemilised protsessid ..................................................................... 109 5.5
Muud rakendused ja näited .............................................................................. 110 5.5.1 Salvestamine jahutussüsteemides ............................................................. 110 5.5.2 Koormustippude silumine jahutussüsteemis ...............................................114 5.5.3 Jahutussüsteemi juhtimine hinnapõhiselt ...................................................115 5.5.4 Salvesti ja päikesekollektorite dimensioonimine ........................................ 116
6
BIOKÜTUSTE SALVED ............................................................................................ 119
6.1
Looduslikud biokütuse salved ...........................................................................119
6.2
Tehislikud biokütuse salved ............................................................................. 120
7
ELEKTRISALVESTITE KASUTAMISE MAJANDUSLIK PÕHJENDATUS.......................122
7.1
Elektriturg ja -hinnamuutuste roll salvestite kasutamisel ................................... 122
7.2
Salvestustehnoloogiate elu- ja kulutsükli karakteristikud .................................. 125 7.2.1 Salvestite tasuvus tarbimise juhtimisel ...................................................... 130
8
ENERGIASALVESTITE LIHTSUSTATUD ARVUTUSNÄITED .......................................132
8.1
Salvestid tarbimise nihutamiseks ja hinnamanipulatsioonideks ........................ 132 8.1.1 Elektrilise soojaveeboileri hinnapõhine juhtimine ...................................... 132 8.1.2 NaS aku tasuvus elektrihinna manipulatsioonide korral .............................. 133
8.2
Salvesti kasutamine elektrikvaliteedi tagamiseks ............................................. 134 8.2.1 Ühefaasilise ahela arvutus ........................................................................ 134 8.2.2 Balansseeritud koormusega kolmefaasilise ahela arvutamine..................... 134
8.3
Pump-hüdroelektrijaama lihtsustatud arvutused ............................................... 136 8.3.1 Pump-hüdroelektrijaam tehase reservtoiteks ............................................. 136 8.3.2 Pump-hüdroelektrijaam tuulepargile ......................................................... 137
8.4
Soojuse salvestid ............................................................................................. 139 8.4.1 Sooja tarbevee salvestusmahuti arvutus .................................................... 139 8.4.2 Elektrilise küttekeha lülimise kestuse arvutamine ...................................... 140 8.4.3 Faasimuutusega materjali kasutamine külmkapi korral ...............................141 8.4.4 Akumulatsioonipaak põrandküttesüsteemiga majale ................................. 142 8.4.5 Akumulatsioonipaak radiaatorküttesüsteemiga majale .............................. 145
5
Sisukord
8.4.6 Lihtsustatud soojussalvesti arvutus päikesekollektoritega tarbevee- ja keskküttesüsteemidele .................................................................. 150 8.5
Salvestid võrku ühendatud PV-süsteemidele ja energiasaartele ......................... 152 8.5.1 Salvesti võrku ühendatud PV-süsteemile ................................................... 152 8.5.2 Aku mahutavuse ja PV-moodulite võimsuse arvutus energiasaarele ............ 155
8.6
Tuuleenergia salvestamise eripärad ja salvesti arvutus.......................................157 8.6.1 Energiareservi arvutus ööpäevase keskmise tootmise ja tarbimise järgi........157 8.6.2 Energiareservi arvutus toodanguta perioodide alusel ................................. 159
8.7
Kombineeritud taastuvenergiaallikatega (päikese- ja tuuleelektrijaamade) süsteemide eripärad ja salvestite arvutus ......................................................... 159
8.8
Aku-, ülikondensaator- ja hooratasenergiasalvestite arvutusnäited eri rakendustele ............................................................................................... 161 8.8.1 Ülikondensaatori mahtuvuse arvutusnäide ................................................ 161 8.8.2 Hooratas-salvestis salvestunud energia .................................................... 162 8.8.3 Hooratas-salvesti kasutegur laadimisel ja tühjenemisel .............................. 163 8.8.4 Elektriauto akupatarei laengumahutavus ja tühjenemisvool ....................... 164
8.9
Vesinikusalvede arvutus................................................................................... 166 8.9.1 Kütuseelemendil põhinev reservtoide ........................................................ 166 8.9.2 Vesinikusalve arvutus küttesüsteemile ...................................................... 167
8.10
Muud arvutusnäited ......................................................................................... 169 8.10.1 Patareist toodetud elektri hind ................................................................ 169 8.10.2 Suruõhk-salvesti lihtsustatud arvutus ...................................................... 170 8.10.3 Biomassi salve ja loodusliku ressursi vajaduse arvutamine elamule .......... 170
9
6
KASUTATUD KIRJANDUS........................................................................................ 172
1. Sissejuhatus
1
SISSEJUHATUS
Energiasalvestid on tänaste tarkvõrkude ja üha laieneva taastuvenergia kasutuse kontekstis üks võtmetehnoloogiaid. Tarkvõrkude all mõistame praegu uudseid elektrivõrkude lahendusi, kus on omavahel integreeritud nii elektri kui ka soojuse tootmine, ülekanne, salvestamine ja tarbimine. Ajalooliselt on energiasalvestitel olnud kolm suurt rolli. Esimesed kaks käivad nii elektri- kui ka soojussalvestite kohta. Esimene neist on tiputarbimise kompenseerimine nt madalama hinna või tarbimisega ajal salvestatud energiaga. Teine on varustuskindluse tagamine nt varutoite kaudu vms moel. Kolmas ja mitte vähem tähtis on elektripaigaldistes ja võrkudes elektrikvaliteedi, sh sageduse ja toitepinge, tagamine. Käesolev raamat on ettenähtud kasutamiseks õpikuna Tallinna Tehnikaülikooli energeetika- ja mehaanikateaduskonna üliõpilastele energiatarbimist ja -salvestamist käsitletavates õppeainetes. Raamat annab ülevaate kahest suurest energiasalvestamise viisist – elektri ja soojuse salvestamisest. Elektri salvestusviiside all vaadeldakse suurtes elektrisüsteemides ja hoonete elektripaigaldistes rakendatavaid salvestustehnoloogiaid. Soojuse salvestusviiside all vaadeldakse esmajoones hoonetes ehk lokaalselt rakendatavaid salvestustehnoloogiaid. Samuti antakse ülevaade salvestustehnoloogiate elu- ja kulutsükli karakteristikutest ja lihttasuvusest elektrihinnaga spekuleerimisel. Raamatu lõpp on varustatud mitmete näidisülesannetega, mille abil saab lugeja teha lihtsamaid arvutusi erinevate hoonete ja objektide kohta. Salvestite maksumused on esitatud vastavalt algandmetele dollarites ja eurodesse teisendamisel on kasutatud kurssi 1€ = 1,3$. Esitatud hindu tuleb võtta suure reservatsiooniga, sest need pärinevad erinevatest algallikatest, mis on ka koostatud erineval ajal. Lisaks tuleb arvestada, et hinnad on pidevas muutumises ja võivad sõltuvalt tootjast märkimisväärselt erineda. Autorid avaldavad tänu Eesti põhivõrguettevõttele Elering AS raamatu koostamise ja valmimise toetamise eest. Samuti tänavad raamatu autorid Prof. Enn Lusti, Dr. Kerli Liivandit, Dr. Jüri Jollerit ja kõiki teisi, kes andsid soovitusi raamatu koostamisel.
7
2. Elektrisalvestite kasutamise eesmärgid, valdkonnad ja mõisted
2 2.1
ELEKTRISALVESTITE KASUTAMISE EESMÄRGID, VALDKONNAD JA MÕISTED ELEKTRISALVESTITE KASUTAMISE EESMÄRGID
Elektrisalvesteid kasutatakse mitmete elektrivõrguga seotud nõuete tagamiseks ja probleemide lahendamiseks [GON04]: koormuste haldus (ingl k load management), pöörlev reserv (spinning reserve), süsteemi stabiliseerimine ja pinge reguleerimine (system stability and voltage regulation), ülekandevõrkude ja elektrijaamade uuendamise/laiendamise edasilükkamine (deferral of system and plant upgrading), taastuvenergiaallikate integreerimiseks (renewable energy integration), lõpptarbija rakendustes (end-use applications), sh avariitoiteks (emergency back-up), tarbimise juhtimiseks (demand side management) ja tipukoormuse vähendamiseks (peak shaving) (Joonis 2.1).
Joonis 2.1 Salvestite tüüpilised rakendused elektrivõrgus
Koormuste haldamisel eksisteerib kaks põhilist koormuse juhtimise põhimõtet. Koormuse ühtlustamisel (load levelling) laetakse energiasalvestit tipuvälisel ajal ning kasutatakse seejärel tipuajal tipukoormuse vähendamiseks. Sellest tulenevalt muutub tootmisseadmete kasutuskõver ühtlasemaks ning tippude jaoks tootvaid jaamu saab asendada baaskoormusjaamadega. Teine põhimõte hõlmab endas koormuse järgimist (load following), mille puhul salvesti järgib tarbimiskõverat.
8
2. Elektrisalvestite kasutamise eesmärgid, valdkonnad ja mõisted
Kui tootmine ületab tarbimist, siis salvesti salvestab energiat ning kui tarbimine ületab tootmist, siis toimib salvesti kui täiendav tootmisseade [DAV09]. Ootel reservi saab sarnaselt eeltoodule jagada kahte kategooriasse. Esimene neist on kiire reageerimisega ehk kuumreserv, mis võimaldab kiiresti reageerida probleemidele võrgus. Teine on tavaline ehk külmreserv, mille reageerimisajale rangeid nõudmisi ei seata. Sedalaadi reservseadmed jäävad võimsusvahemikku 10...400 MW ning neid vajatakse enamasti 20 kuni 50 korda aastas. Süsteemi stabiliseerimise korral toimivad salvestid puhverseadmetena, võimaldades võrgurikete korral elektritootmisseadmete ümberlülitusi. Enamjaolt võimaldavad salvestid lahendada selliseid probleeme nagu faasinihe, pinge ja voolu ebakorrapärasused jne. Sellistel puhkudel on seadmetel tavaliselt lühikesed reaktsiooniajad ning suured võimsustasemed (1...10 MW). Ülekandevõrkude ja elektrijaamade uuendamine või laiendamine toimub tavaliselt aastakümnete tagant ning need peavad olema ehitatud nii, et arvestavad perspektiivset koormuste kasvu. Salvesteid kasutakse siis, kui see osutub majanduslikult põhjendatuks. Sõltumata sellest, et suurem osa päevast ei esine maksimumkoormusi, rajatakse ülekandevõrgud maksimumkoormusi silmas pidades. Salvesti eesmärgiks on koormuste kasvades välistada tipu aegadel ülekoormuse tekkimist ülekandevõrgus, sh ühtlustada võimsusi ka siis, kui koormus on madal. Selle tõttu on võimalik edasi lükata ülekandevõrkude laiendamist. Salvestite võimsused jäävad sellisel juhul kilovattide ja mitmete sadade megavattide vahele kestusega 1 kuni 3 tundi. Sellistele salvestitele oleksid kõige tavalisemad alternatiivid mobiilsed generaatorid. Näiteks diisel- ja fossiilkütustel põhinevaid generaatoreid kasutatakse pikaajaliste ning biodiiselgeneraatoreid lühiajaliste lahendustena. Selleks, et aidata taastuvenergiaallikaid süsteemi integreerida, saab salvesteid kasutada järgmiselt: 1. Ühildada taastuvenergiaallikate väljundvõimsus tegeliku koormusega, tasandada taastuvenergiaallika väljundvõimsuse kõikumisi või kasutada reservtoiteallikana olukorras, kui taastuvenergiaallikas elektrit ei tooda (peamiselt oluline elektrikvaliteedi tagamiseks nii võrgust lahutatud kui ka võrguga ühendatud lahenduste puhul).
9
2. Elektrisalvestite kasutamise eesmärgid, valdkonnad ja mõisted
2. Salvestada liigne taastuvenergia koormuse madalseisus, et kasutada seda koormuse kõrgseisus (oluline võrguga ühendatud lahendustes hinnamanipulatsioonide puhul). Tavaliselt lõpptarbijatele suunatud salvestite rakendused on seotud elektrikvaliteedi tagamisega, sh reaktiivenergia või pinge ja sageduse juhtimisega (Joonis 2.2). Kuna viimaste puhul on tegemist lühiajaliste ja tundlike protsessidega, peavad salvestid võimaldama lühiajalisi ja kiireid võimsuse muutmisi, et tagada pinge- ja sagedusnäitajate nõuetekohane reguleerimine võrgus. Samuti on lõpptarbijale suunatud tegevused seotud tippude katmise ja avariitoite tagamisega. Tippude katmise lahendustes laetakse energiasalvesteid madala tarbimisega perioodidel ja kasutatakse salvestatud energiat kõige kallima hinnaga perioodidel, mis enamasti kattuvad ka tipukoormustega. Üldjuhul on sellisel puJoonis 2.2 Sageduse juhtimine elektrisalvesti abil
hul tegemist lühiajalise energiasalvestamisega.
Avariitoidet tagavad energiasalvestid sarnanevad katkematu toite allikatele, kuid peavad tagama pikaajalise toite olukordades, kus võrgu toide puudub. Sellistel puhkudel on enimlevinud süsteemide võimsus 1 MW ning toite tagamise kestus kuni päev. Vastavalt eeltoodule on energiasalvestite kasutamisel neli põhilist eesmärki [MAS10], mis on omavahel teatavas kattuvuses: 1. Tootmise ja tarbimise ühildamine. 2. Toitekatkestustest tulenevate riskide vähendamine. 3. Juhuslikku laadi taastuvenergiaallikate integreerimise võimaldamine. 4. Elektrikvaliteedi tagamine. Ülaltoodud rakendused, eesmärgid ja salvestite rakendamisele esitatavad nõuded on kokkuvõtvalt esitatud allolevas tabelis (Tabel 2.1).
10