Systemy magazynowania energii i ich zastosowanie w nowoczesnych sieciach elektroenergetycznych

Wszyscy znamy takie systemy magazynowania energii elektrycznej, jak akumulatory i baterie jednorazowego użytku, które od ponad stu lat powszechnie wykorzystuje się w gospodarstwach domowych, samochodach, narzędziach i maszynach. W sieciach elektroenergetycznych ze zmiennymi poziomami zasilania i zużycia systemy muszą radzić sobie również z wyjątkowo dużymi ilościami magazynowanej energii.

Liczne zastosowania

System magazynowania energii w sieci elektrycznej musi być w stanie zarówno pobierać, jak i dostarczać energię. Jeśli jest odłączony od sieci, musi działać jako odizolowana jednostka. Jednym ze sposobów, w jaki użytkownicy mogą czerpać korzyści z jego zastosowania, jest optymalizacja zużycia w zamkniętym środowisku. Systemy magazynowania mogą też służyć do obsługi rynku w sieci multiregionalnej – np. poprzez dostarczanie energii bilansującej. Trzecią opcją jest stabilizacja napięcia w sieci. Na dużą skalę energię magazynuje się od blisko 100 lat w elektrowniach szczytowo-pompowych. Jej nadmiar wytwarzany w tym procesie wykorzystywany jest do pompowania wody z jezior położonych na niższych wysokościach do tych wyżej. Jako przykład może tu posłużyć Elektrownia Szczytowo-Pompowa Limberg II, w Kaprun, w Austrii. Rozwiązanie tego rodzaju nie jest jednak optymalne. Dużo lepsza koncepcja to zrealizowany w Kalifornii projekt Mira Loma, składający się z 396 akumulatorów, z których każdy może przechowywać 80 MWh i wytwarzać 20 MW mocy.

Energia elektryczna musi być dostarczana, gdy jest zużywana

Dzisiejsze zintegrowane sieci obsługują sieć prądu przemiennego o częstotliwości 50 Hz (w Europie, dużej części Azji i Australii) lub 60 Hz (Ameryka Północna i część Ameryki Południowej). Jeśli wytwarzanie i zużycie energii jest takie same, częstotliwość pozostaje stabilna na takim samym poziomie. Jeśli wytwarzanie jest wyższe niż zużycie, częstotliwość wzrośnie. Z kolei jeśli wytwarzanie jest mniejsze niż zużycie, częstotliwość spadnie.

Podmiotami odpowiedzialnymi za utrzymanie częstotliwości w określonym przedziale są operatorzy systemów przesyłowych. Wykorzystują oni pierwotną i wtórną energię bilansującą, aby przeciwdziałać wahaniom częstotliwości. Systemy energii bilansującej pierwotnej są montowane bezpośrednio do turbin elektrowni, gdzie mierzą częstotliwość i natychmiast zwiększają lub zmniejszają moc turbiny, jeśli częstotliwość odbiega od 50 Hz. Wtórna energia bilansująca działa w podobny sposób, ale serce systemu znajduje się w centrum sterowania, a nie w turbinie. Sygnał sterujący jest wówczas wysyłany z centrum sterowania do wielu elektrowni i sterowników turbin w celu utrzymania stabilnej częstotliwości. Dodatkowo, w elektrowniach gazowych czy wodnych, wykorzystywana jest trzeciorzędna energia bilansująca – generowana poprzez uruchomienie lub wyłączenie turbin w ciągu kilku minut.

Trzy rodzaje równoważenia działają równolegle i służą do zapewnienia stabilności częstotliwości poprzez precyzyjne dopasowanie wytwarzania energii do poboru prądu. Systemy magazynowania energii mogą być wykorzystywane do dostarczania pierwotnej energii bilansującej – a także przynosić interesujące korzyści ekonomiczne.

 

Rys. 1. Systemy magazynowania energii – baterie

Magazynowanie energii dla inteligentnych sieci

Sieć inteligentna wykorzystuje sterowanie i komunikację w określony sposób, aby uniknąć konieczności kosztownej rozbudowy istniejącej infrastruktury kablowej lub liniowej. Jeżeli jednak sterowanie generatorami prądu rozproszonego nie daje pożądanych wartości lub np. przekroczone zostają tolerancje napięcia albo transformatory są przeciążone, wówczas można zastosować system magazynowania energii. Przechowuje on jej nadmiar, a tym samym może zapobiec konieczności wyłączania rozproszonego generatora energii (lub przynajmniej opóźnić taką ewentualność). Ten rodzaj magazynowania może być wykorzystany do optymalizacji samozaopatrzenia, magazynowania szczytów energii oraz zapewnienia, iż gospodarstwo domowe jest w stanie działać poza siecią.

 

Rys. 2. Magazynowanie i dostarczanie energii oraz kontrola częstotliwości

System magazynowania energii odnawialnej

Energia pozyskiwana ze słońca i wiatru z przyczyn naturalnych podlega dużym wahaniom, stwarzając potencjalnie ogromny problem ze zbilansowaniem w sieci elektroenergetycznej. Przykładowo – jeśli wiatr przestanie wiać lub słońce zostanie przysłonięte przez chmury, siłą rzeczy zmniejszy się ilość energii dostarczanej z tych źródeł. Z tego powodu natychmiastowy wzrost lub spadek mocy w instalacjach wiatrowych albo słonecznych jest tłumiony przez zmagazynowaną energię. Jeśli wiatr się wzmaga lub promieniowanie słoneczne wzrasta, wytwarzanie energii gwałtownie rośnie i powstająca nadwyżka energii jest wykorzystywana do ładowania akumulatorów. Zmniejsza to skokowy wzrost produkcji, dając pierwotnym i wtórnym systemom kompensującym wystarczająco dużo czasu i wydajności, aby skompensować dalszy wzrost. Z drugiej strony, jeśli energia wiatrowa lub słoneczna gwałtownie spadnie, akumulatory kompensują spadek mocy, dostarczając energię do sieci.

Długoterminowe przechowywanie energii

Nieustająco rośnie zapotrzebowanie na systemy, które mogą składować energię przez dłuższy czas. Jednym z terminów, który obecnie zyskuje popularność w tym kontekście, jest "przesunięcie sezonowe", odnoszące się do przechowywania energii przez kilka miesięcy. Wykorzystywana jest do tego technologia "power-to-gas" lub "power-to-liquid". Zamienia ona energię elektryczną w gaz, który jest wytwarzany latem z energii z instalacji słonecznych i wykorzystywany zimą do ogrzewania lub wytwarzania energii przy użyciu turbin gazowych. Systemy te są mniej wydajne niż akumulatory energii, ale za to trwalsze. Przykładowo: akumulatory litowo- -jonowe mogą miesięcznie tracić nawet do 30% swojej pojemności.

Magazynowanie energii: melodia przyszłości

Biorąc pod uwagę nasze zmieniające się podejście do źródeł energii, akumulatory mogą mieć do odegrania sporą rolę, ponieważ duże wahania mocy, którym podlegają odnawialne źródła energii, da się zrównoważyć właśnie za ich pomocą. Na razie największą przeszkodą rozwoju tej dziedziny jest fakt, że omawiana technologia nie jest jeszcze w pełni opłacalna, co uniemożliwia jej powszechne wdrożenie. Pomoc finansowa ze strony państw i instytucji, połączona z odpowiednimi regulacjami, to w tej kwestii niezbędne elementy, aby wesprzeć przeprowadzanie transformacji – jak to miało miejsce choćby w Korei Południowej. W ostatnich latach rząd koreański zainwestował około pięciu miliardów dolarów w projekty dotyczące systemów magazynowania energii opartych na akumulatorach. W rezultacie systemy te są obecnie włączane do planowania każdego nowego projektu inwestycyjnego i adaptowane w projektach rozwoju budynków użyteczności publicznej w całym kraju

Chcesz dowiedzieć się, jak zenon Energy realizuje magazynowanie energii? Skontaktuj się z COPA-DATA Polska Sp.o.o. (e-mail: sales.pl@copadata.com, tel. 12 290 10 45).

Materiał powstał na podstawie artykułu, który ukazał się w nr. 33 "Information Unlimited the Copa-Data Magazine".

COPA-DATA Polska
www.copadata.com