Свързани към мрежата системи за съхранение на енергия

Балансирането на мощността в електроразпределителната мрежа традиционно се постига чрез увеличаване на генерирането с цел отговаряне на енергийните нужди. Това обаче оказва негативно въздействие както върху ефективността, така и върху експлоатационния живот на централите.

Също така предприемането на тази мярка невинаги е достатъчно, когато са налични високи нива на генериране на възобновяема енергия. Свързаните към мрежата системи за съхранение на енергия преодоляват тези ограничения, предоставяйки буфер на мощността, който разделя товара от електрогенериращите мощности. Така ефективността на мрежата се увеличава максимално, а въглеродният интензитет се оптимизира.

Компоненти

Решенията за съхранение на енергия включват редица важни за функционирането на системата компоненти. В основата на едната такава система е устройството, в което протича самият физически процес на съхранение на енергия. В повечето приложения този процес се базира на електрически (кондензатори), електрохимичен (батерии) или механичен (маховици) работен принцип.

Обикновено при свързаните към мрежата решения за съхранение на енергия е необходимо инсталирането на мощностен преобразувател (конвертор), който може да бъде единичен или разпределена преобразувателна система. В други случаи към мрежата посредством честотен регулатор или директно се свързва двигател-генератор.

При директно свързване мощностният преобразувател не е необходим или се използва за генериране на възбудително напрежение. Между мрежата и системата за съхранение на енергия в повечето случаи се монтира и трансформатор.

Състоянието на физическото енергийно хранилище се следи и контролира от системата за управление на батериите (BMS) или кондензаторите (CMS). Тя чете всички значими данни, например стойностите на напрежението, тока и температурата при батериите и литиево-йонните кондензатори, скоростта на въртене и температурата при маховиците и др.

Тя гарантира, че системата функционира в работния си обхват и проверява дали необходимата електроенергия е в диапазона на текущото системно състояние.

От своя страна, системата за енергиен мениджмънт определя функционалността - кога и в каква степен системата за съхранение ще бъде заредена, ненатоварена или разредена.

В зависимост от функционалността това може да стане локално с минимални времена на реакция (милисекунди и по-малки) на база локално измерени данни (например ток, напрежение, мощност, честота) или в рамките на външна система за енергиен мениджмънт, свързана с дигитален протокол (DNP3, Modbus и др.), което води до по-дълги времена на реакция (секунди).

За да функционира системата, са необходими и няколко спомагателни (периферни) компонента. В зависимост от физическия работен принцип на системата за съхранение те варират от охлаждаща система (редица технологии) до помпи (редокс батерии) или вакуум помпи (маховици).

Изместено във времето енергопотребление

Използваните за тази цел системи за съхранение на електроенергия се зареждат при ниски тарифи на тока и се разреждат, когато цените за електрическа енергия са високи. В по-малък времеви диапазон те могат да изпълняват подобна задача чрез съхранение на енергия, генерирана например от възобновяеми източници, отличаващи се с променливата си производителност. Ако разликата в енергийните тарифи е водещият фактор, това приложение на системите за съхранение на енергия е известно като “арбитраж”.

Съхранението на енергия (в режим на зареждане) в моменти на пикова мощност с цел предотвратяване на претоварване се нарича “обиране на пикове” (peak shaving). Този подход може да се прилага при пиково генериране и при пиково потребление (в случаи на неизбежно претоварване). Обирането на пикове означава, че заредената или разредената енергия се възстановява на по-късен етап, т. е. приложението е вид изместване във времето на енергопотреблението.

Така използваните системи за съхранение на енергия могат да бъдат разположени на самата площадка на генериране на енергията, в близост до нея или в други части на мрежата, включително при или до източниците на натоварване. Във втория случай зарядната мощност се пренася по време на извънпикови периоди.

Друга разновидност на това приложение е използването на системата за съхранение на енергия за отлагане или редуциране на нуждата за закупуване на генериращ капацитет. Тук тези системи предоставят част от пиковата мощност при високо потребление, облекчавайки работата на генератора. След частичния разряд системата за съхранение се презарежда, когато потреблението е ниско.

Следене на товара и регулиране

Следенето на товара е една от спомагателните услуги, необходима за осигуряването на стабилна електрическа мрежа. Системите за съхранение на енергия, използвани за тази цел, служат за подаване (разреждане) или поглъщане (зареждане) на електроенергия при вариации в натоварването.

Промените в товара трябва да са в определени граници по отношение на скоростта на изменение. Същото се отнася и за вариациите в генерирането на енергия, които са особено характерни за възобновяемите източници. Ползите от използването на системите за съхранение на енергия за това приложение са, че те могат да работят при частично натоварване с относително малко понижаване на производителността, могат да отговорят бързо на измененията в товара и са подходящи за балансиране както при понижаване, така и при увеличаване на натоварването.

Регулирането се прилага за отстраняване на моментни разлики между търсенето и генерирането на енергия в рамките на конкретна зона или на моментни отклонения в обмена на енергийни потоци между две зони, причинени вследствие на флуктуации в генерирането и натоварването. Конвенционалните електроцентрали са по-малко подходящи за това приложение, тъй като бързите изменения в получената енергия могат да доведат до значително износване на оборудването.

Честотна характеристика

Честотната характеристика е общ термин за компонент в енергийната система, който отговаря на измененията в мрежовата честота. Пасивна форма на честотен отговор е инерционният момент, който физически ограничава скоростта на изменение на честотата. Активната форма включва големи синхронни генератори, които динамично повишават (или понижават) мощността си при понижение (респ. нарастване) на честотата.

Причина за честотни флуктуации може да е загубата на генераторен агрегат или преносна линия, които водят до внезапен енергиен дисбаланс. За справяне с такива отклонения, често в рамките на няколко секунди, са необходими различни дейности. Физическият инерционен момент се подсигурява от конвенционални синхронни генератори.

Изкуственият инерционен момент е повишението или понижението в изходната мощност, пропорционално на изменението в мрежовата честота. Ако сумарният физически инерционен момент спадне, изкуственият ще се увеличи, за да се осигури стабилността на системата.

Много от свързаните към мрежата възобновяеми източници не предоставят допълнителен изкуствен инерционен момент, което е предпоставка за възникване на по-големи честотни отклонения при намаляване на сумарния инерционен момент.

Електромеханичните системи за съхранение на енергия със синхронен генератор, например помпено-акумулиращи водноелектрически централи, инсталации със сгъстяване и втечняване на въздух, могат да осигурят физически инерционен момент, включително синхронен инерционен отговор. Свързаните към преобразувател системи за съхранение на енергия могат да предоставят и изкуствен инерционен момент.

В това приложение енергийните хранилища могат да осигурят по-гладък преход от авариен период към нормален работен режим. За целта системите за съхранение на енергия трябва да могат да отговорят на честотните изменения в рамките на милисекунди.

Резервен капацитет

Електроенергийните системи обикновено разполагат с определен резервен капацитет, който се използва в случай на значителни честотни смущения, осигурявайки нормалното функциониране и експлоатационна готовност на мрежата. Този резерв в повечето случаи представлява заредена система за съхранение на енергия.

Като резерв може да бъде използвана и голяма система за непрекъсваемо захранване (UPS), която може да поддържа цяла местна електроенергийна мрежа при прекъсване на услугата (т. нар. островен режим). Резервният капацитет на системите за съхранение на енергия може да бъде и отрицателен например при загубата на голямо натоварване и др.

От операторите на електроразпределителни мрежи се изисква да поддържат напрежението в определени граници, което обикновено налага управление на реактивната мощност.

Регулирането на напрежението е особено необходимо в часовете с пиково потребление, когато разпределителните линии и трансформаторите са най-натоварени. Едно от приложенията на системите за съхранение на енергия е да служат като източник на реактивна мощност или да я поглъщат. Предимството на тези системи пред традиционно използваните за целта генератори и товари е, че са достъпни, дори когато не се получава или консумира енергия (за разлика от синхронните компенсатори и кондензаторите).

След срив в мрежата една система за съхранение на енергия може да предостави активен резерв мощност за захранване на разпределителните и преносните линии, възбудителна мощност за един или повече дизелови генератори и/или по-големи електроцентрали. Недостатък на този подход е, че напълно заредената система е в режим на изчакване до момента, в който ще е необходимо възстановяване на захранването (black start). Решение на този проблем е системата да се ползва за други приложения и да се поддържа с минимален заряд за подаване на захранване.

Приложения в преноса и разпределението

Стратегически разположените системи за съхранение на електроенергия в рамките на преносната инфраструктура могат да послужат като енергиен буфер, намалявайки претоварванията и/или необходимостта от обновяване на мрежата.

Възможно е при пиково потребление наличните преносни линии да не осигуряват достатъчен капацитет за поемане на няколко или всички свързани товари. Това претоварване на преносната мрежа може да повиши енергийните разходи. Системите за съхранение на енергия могат да спомогнат за ограничаване на тези случаи чрез зареждане при претоварване и разреждане при нормален режим.

Инсталирането на система за съхранение на енергия след почти претоварен преносен възел може да отложи нуждата от обновяване на системата за определен период, например няколко години. Това е възможно чрез осигуряването на достатъчен капацитет за поемане на товари, по този начин намалявайки натоварването на преносното оборудване под специфицирания максимум.

Тези системи могат да се използват по аналогичен начин и в разпределителните мрежи, осигурявайки ефективна алтернатива на подмяната на основни компоненти. Друга потенциална полза от това приложение на системите за съхранение е свеждането до минимум на риска от неосъществяване на планирания ръст на натоварването след извършени подобрения в преносните/разпределителните линии и трансформаторите.

Интегриране на ВЕИ

Броят на вятърните и соларните инсталации се увеличава в световен мащаб, а с това и относителният дял на възобновяемите източници в енергийния микс. Характерната за тях прекъснатост в генерирането на енергия може да доведе до претоварвания на мрежата и нестабилност в честотата в електроенергийната система. Интегрирането на система за съхранение на енергия с ВЕИ цели ограничаване на тази прекъснатост и на влиянието й върху мрежата.

Възможни са няколко подхода за това приложение. Използването на част от системата за съхранение за изместване на енергопотреблението във времето и разреждането й при високи цени на тока може да подобри възвръщаемостта на инвестицията както за енергийното хранилище, така и за инсталацията за възобновяема енергия.

Системите за съхранение могат да предоставят и начин за подобряване на качеството на подаваната от ВЕИ енергия, особено в случаите когато производителността им се определя от местните метеорологични условия.

В отделни случаи, например при разширяване на съществуваща централа за възобновяема енергия, системите за съхранение могат да предотвратят претоварването на мрежата и да отложат необходимостта от увеличаване на капацитета на преносните линии.