Systemy magazynowania energii

Systemy magazynowania energii w nowoczesnych sieciach energetycznych

Współczesne sieci energetyczne nie mogą działać bez systemów magazynowania energii. Są one stosowane do różnych celów: jako przyrządy sterowania, bufory do wytwarzania i niwelowania obciążeń szczytowych i jako systemy długoterminowego magazynowania. Coraz ważniejszą rolę w tych zastosowaniach odgrywa magazynowanie bateryjne. Ta technologia wciąż jest jednak w powijakach i podlega ciągłemu rozwojowi. W tym artykule przyjrzymy się, w jaki sposób systemy magazynowania energii są wykorzystywane obecnie i jaką rolę akumulatory będą odgrywać w przyszłości. Doskonale znamy systemy magazynowania energii elektrycznej, na przykład akumulatory i jednorazowe baterie w urządzeniach domowych, samochodach, narzędziach i maszynach. Już od ponad 100 lat są one wykorzystywane w niezliczonych zastosowaniach prywatnych i przemysłowych. Jednak w sieciach energetycznych, o zmiennych parametrach zasilania i zużycia, systemy magazynowania muszą przetwarzać niezwykle duże ilości energii. Dotyczy to w szczególności konwencjonalnego wytwarzania energii z paliw kopalnych, ale prawdziwego znaczenia nabiera w sieciach zasilanych z odnawialnych źródeł.

Liczne zastosowania

Ogólnie ujmując, system magazynowania energii w sieci energetycznej musi być w stanie pobierać i dostarczać energię. Gdy system magazynowania jest odłączony od sieci, musi być w stanie działać jako odizolowana jednostka. Jedną z korzyści wynikających z zastosowania systemu magazynowania jest optymalizacja zużycia w autonomicznym środowisku. Ewentualnie systemy magazynowania mogą służyć rynkowi w sieci multiregionalnej, na przykład przez dostarczanie energii równoważącej. Trzecim przykładem jest stabilizacja napięcia w obrębie sieci.

Wszystko zależy od gęstości energii

Od prawie 100 lat energia jest tymczasowo magazynowana na dużą skalę w elektrowniach szczytowo-pompowych. Nadmiar lub bardzo tania energia w postaci energii elektrycznej jest wykorzystywana do pompowania wody z jeziora położonego na mniejszej wysokości do jeziora położonego wyżej. W ten sposób przemieszczane są ogromne ilości energii. Jednym z przykładów jest elektrownia szczytowo-pompowa Limberg II w Kaprun w Austrii. Gdyby całą zawartość dolnego jeziora (81,2 mln m3) przepompować do górnego jeziora, uzyskano by około 81 000 MWh energii. Można by je następnie odzyskać, uzyskując moc 480 MW. Oczywiście jest to tylko teoretyczna liczba, ponieważ jeziora nigdy nie są całkowicie opróżniane. Gdyby porównać system Limberg II z największym na świecie bateryjnym systemem magazynowania energii w Mira Loma w Kalifornii, okaże się, że system elektrowni szczytowo-pompowej nie jest najbardziej efektywną metodą magazynowania energii. Projekt oparty na bateriach w Mira Loma składa się z 396 pakietów energetycznych, z których każdy może przechowywać 80 MWh i wytwarzać 20 MW energii. Znajdują się one na powierzchni zaledwie 6000 m2, natomiast dwa jeziora wykorzystywane przez system elek-

trowni szczytowo-pompowej Limberg II zajmują powierzchnię 3,1 km2 – około 500 razy większą. W rezultacie gęstość energii akumulatorów byłaby 21 razy większa.

Energia elektryczna musi być dostarczana w momencie zużycia

Współczesne zintegrowane sieci elektroenergetyczne wytwarzają prąd przemienny o częstotliwości 50 Hz (w Europie, dużych częściach Azji i Australii) lub 60 Hz (w Ameryce Północnej i części Ameryki Południowej). Jeśli wytwarzanie i zużycie energii są jednakowe, częstotliwość utrzymuje stabilność na tym poziomie. Jeśli produkcja jest większa niż zużycie, częstotliwość wzrasta. Jeśli wytwarzanie jest mniejsze niż zużycie, częstotliwość spada. To między innymi dlatego na początku tego roku zegary zsynchronizowane częstotliwościowo w Europie pracowały wolniej o kilka minut: zużycie energii przewyższało wytwarzanie, co spowodowało spadek częstotliwości i wolniejsze tykanie zegarów.

Bilansowanie energii pod kątem częstotliwości sieci

Operatorzy systemów przesyłowych (OSP) są podmiotami odpowiedzialnymi za utrzymanie częstotliwości w określonym zakresie tolerancji. W tym celu wykorzystują pierwotną i wtórną energię bilansującą, aby przeciwdziałać wahaniom częstotliwości. Systemy pierwotnej energii bilansującej są montowane bezpośrednio na turbinach elektrowni, gdzie mierzą częstotliwość i natychmiast zwiększają lub zmniejszają moc turbiny, gdy częstotliwość odbiega od 50 Hz. Systemy wtórnej energii bilansującej działają w podobny sposób, ale są realizowane w centrum sterowania, a nie w turbinie. W tym przypadku sygnał sterujący jest wysyłany z centrum sterowania do wielu elektrowni i regulatorów turbin o różnych współczynnikach korygujących w celu utrzymania stabilnej częstotliwości. Dodatkowo w elektrowniach gazowych lub wodnych wykorzystuje się energię bilansującą trzeciego stopnia. Odbywa się to przez uruchamianie lub wyłączanie turbin w ciągu kilku minut. Te trzy rodzaje bilansowania działają równolegle i są wykorzystywane do zapewnienia stabilności częstotliwości przez dokładne dopasowanie wytwarzania energii do bieżącego zużycia. Jaki ma to związek z magazynowaniem bateryjnym?

Duży! Bateryjne systemy magazynowania energii mogą być wykorzystywane do dostarczania pierwotnej energii bilansującej – i przynoszą równie interesujące korzyści ekonomiczne. OSP płaci średnio około 100 euro rocznie za 10 kW energii z akumulatorów, które mogą być wykorzystane do bilansowania systemu, niezależnie od tego, czy ta moc jest potrzebna, czy nie. Przykładem może być wykorzystanie tego rozwiązania w bieżącym projekcie – 10 MW zainstalowanych używanych akumulatorów z samochodów elektrycznych może przynieść 100 000 euro rocznie.

KILKA PROGRAMÓW SYSTEMÓW MAGAZYNOWANIA ENERGII STOSOWANYCH OBECNIE:

Systemy magazynowania energii cieplnej

y Zbiorniki gorącej wody y Systemy magazynowania w sieci ciepłowniczej y Akumulatory pary y Cegły szamotowe

Systemy magazynowania energii chemicznej

y Baterie y Akumulatory y Systemy magazynowania wodoru

Mechaniczne systemy magazynowania

y Elektrownie szczytowopompowe y Zbiorniki sprężonego powietrza y Koła zamachowe y Akumulatory sprężynowe

Elektryczne systemy magazynowania

y Kondensatory

Inne systemy magazynowania energii, jak wiatr-gaz, słońcegaz lub systemy termochemiczne, są obecnie opracowywane, testowane lub znajdują się w fazie pilotażowej, ale nie są jeszcze wykorzystywane na dużą skalę. Magazynowanie energii dla inteligentnych sieci

Inteligentna sieć to sieć elektryczna, która w specyficzny sposób wykorzystuje sterowanie i komunikację, aby zapobiec konieczności kosztownej rozbudowy istniejącej infrastruktury kabli i linii. Jeżeli jednak sterowanie rozproszonych generatorów energii nie dostarcza żądanych parametrów lub, przykładowo, dochodzi do przekraczania tolerancji napięcia lub przeciążenia transformatorów, przydatny może być system magazynowania energii. Przechowuje on nadmiar energii i w ten sposób może zapobiegać konieczności wyłączania generatora energii (lub co najmniej opóźnić tę ewentualność). Tę metodę magazynowania energii można wykorzystać do optymalizacji samozaopatrzenia, magazynowania szczytowej energii, zapewnienia funkcjonowania gospodarstwa domowego bez połączenia z siecią i doprowadzania napięcia podtrzymującego w obszarach wrażliwych pod względem zaopatrzenia w energię.

Bateryjne systemy magazynowania do niezależnego rozruchu elektrowni

Jeżeli elektrownia jest zdolna do tzw. czarnego startu, oznacza to, że może się samodzielnie uruchomić i dostarczać energię w przypadku awarii zasilania. Aby to osiągnąć, konieczne jest zastosowanie niezawodnych systemów magazynowania energii, które umożliwiają uruchomienie pomocniczych jednostek energetycznych na czas rozruchu – na przykład w celu zapewnienia zasilania sprężonym powietrzem lub smarowania olejem. W tym przypadku energia pochodzi z konwencjonalnych akumulatorów ołowiowych, które zasilają pomocnicze jednostki energetyczne prądem stałym. Z kolei elektrownie, które nie są w stanie przeprowadzić „czarnego startu”, potrzebują energii z sieci do wznowienia działania.

Akumulatory jako stabilizatory energii z odnawialnych źródeł

Energia słoneczna i wiatrowa w naturalny sposób podlega silnym wahaniom, co może być dużym problemem w bi-

lansowaniu sieci energetycznej. Jeżeli na przykład wiatr nagle osłabnie lub chmura przesłoni słońce, ilość wytwarzanej energii się zmieni. I odwrotnie – wzrost mocy na zasilaniu spowodowany wzmożonym wiatrem może spowodować wzrost częstotliwości linii. Jeśli dzieje się to zbyt szybko, pierwotny system bilansowania często nie jest w stanie tego skompensować, a bilansowanie wtórne jest zbyt wolne. Z tego powodu nagły wzrost lub spadek mocy w instalacjach wiatrowych lub słonecznych jest tłumiony przez akumulatory. Jeśli wiatr się wzmaga lub promieniowanie słoneczne wzrasta, produkcja energii gwałtownie wzrasta, a jej nadmiar jest wykorzystywany do ładowania akumulatorów. Ogranicza to gwałtowny wzrost mocy, dając pierwotnym i wtórnym układom bilansującym wystarczająco dużo czasu i mocy, aby skompensować dalszy wzrost. Z drugiej strony, jeśli wiatr lub promieniowanie słoneczne gwałtownie spadną, akumulator kompensuje spadek mocy, oddając energię do sieci. Takie bateryjne systemy magazynowania energii mogą działać od kilku minut do kilku godzin. Długoterminowe magazynowanie: sezonowa zmiana

Obok krótkoterminowego magazynowania szczytów produkcji energii elektrycznej rośnie zapotrzebowanie na systemy, które mogą magazynować energię przez dłuższy czas. Jednym z popularnych obecnie pojęć w tym kontekście jest „sezonowa zmiana”, które odnosi się do magazynowania energii przez kilka miesięcy. W tym celu stosuje się technologię „power-to-gas” (energia-gaz) lub „power-to-liquid” (energia-ciecz). Przekształca ona energię elektryczną w wodór, a następnie w gaz. Na przykład latem gaz jest wytwarzany z energii pochodzącej z instalacji słonecznych, a zimą wykorzystywany do ogrzewania lub do wytwarzania energii elektrycznej przy użyciu turbin gazowych. Systemy te są mniej wydajne niż akumulatory, ale w tak długim okresie akumulatory uległyby naturalnemu wyładowaniu. Na przykład akumulatory litowo-jonowe tracą co miesiąc do 30% zmagazynowanej pojemności, ponieważ tracą ładunek. Magazynowanie energii: rozwiązanie przyszłości

Akumulatory są bardzo uniwersalne i mogą być wykorzystywane w różnych zastosowaniach. Akumulatory odgrywają niezastąpioną rolę w szczególności w kontekście zmieniającego się podejścia do źródeł energii, ponieważ wahania mocy na dużą skalę, na które narażone są odnawialne źródła energii, można równoważyć za właśnie za ich pomocą. Ta technologia nie jest jednak (jeszcze) w pełni rozwinięta ani opłacalna, co uniemożliwia jej powszechne zastosowanie. Aby ułatwić to przejście, niezbędna jest pomoc finansowa i inwestycyjna państwa w połączeniu z proaktywną regulacją, jak miało to miejsce w Korei Południowej. W ciągu ostatnich lat rząd koreański zainwestował około pięć miliardów dolarów w projekty związane z bateryjnymi systemami magazynowania energii. W rezultacie systemy te są teraz uwzględniane w planach każdego nowego projektu budowlanego oraz montowane w modernizowanych budynkach publicznych w całym kraju.

CopaData n