Największe systemy magazynowania energii elektrycznej PRZEGLĄD

Zielona energetyka stymuluje rozwój magazynów energii elektrycznej. Które technologie są najskuteczniejsze? Jaki jest stan rynku w Polsce. Jak działają największe systemy gromadzenia wytworzonej energii?

SPONSORZY PRZEGLĄDU

Magazyny energii elektrycznej to podstawa rozwoju zielonej energetyki

Aktualna sytuacja rynkowa

Dzisiaj w skali globalnej widać wyraźnie, że jesteśmy na początku przełomowej epoki, związanej z produkcją, przechowywaniem i zarządzaniem energią. Nieuchronnie jest to czas intensywnego rozwoju odnawialnych źródeł, a w szczególności systemów fotowoltaicznych i wiatrowych, magazynów energii niezbędnych, jak chłodnie do przechowywania żywności i pojazdów elektrycznych (samochody, rowery, hulajnogi). Niezbędne stają się elastyczne i samouczące się systemy zarządzania energią.

Wszystkie te elementy stanowić będą jeden spójny, inteligentny system przepływu energii, zapewniając większe bezpieczeństwo wszystkim uczestnikom rynku.

Od kilku lat na światowym rynku można zaobserwować, że najgłośniej rozmawia się nie o panelach czy też o inwerterach fotowoltaicznych, generatorach wiatrowych, ale właśnie o systemach magazynowania energii. Wielu ekspertów rynku odnawialnych energii uważa, że jesteśmy dopiero na początku drogi dynamicznego rozwoju systemów magazynowania i jego rola będzie stale rosła.

Wyraźnie pojawiają się dwa podstawowe obszary zastosowań zasobników energii:

• odbiorcy energii elektrycznej, czyli systemy małe i średnie instalowane po stronie odbiorców domowych i biznesowych,
• rozwiązania wielkoskalowe w obszarze energetyki zawodowej.

Rola magazynów energii w obu tych obszarach będzie zupełnie inna.

Po ogłoszeniu przez Teslę – amerykańskiego potentata w dziedzinie elektrycznych samochodów – ogólnoświatowej ekspansji w zakresie małych i średnich systemów magazynowania energii – rynek gwałtownie zaczyna się zmieniać. Producenci ogniw i systemów magazynowania muszą i podejmują stosowne kroki w celu zdynamizowania procesu obniżki cen oraz dostarczania coraz elastyczniejszych i wyrafinowanych zasobników. Takie wyzwanie rzucone rynkowi, może tylko przynieść w szerszym horyzoncie zdecydowane upowszechnienie procesu gromadzenia energii.

Technologie dogodne do magazynowania energii w systemach elektroenergetycznych

Na rynku są dzisiaj dostępne dwie dojrzałe technologie:

• starsza, oparta o akumulatory kwasowo-ołowiowe,
• młodsza, oparta o akumulatory litowo-jonowe.

Obserwujemy stałą poprawę parametrów jakościowych zarówno w obszarze parametrów technicznych (wzrost gęstości energii, wzrost pojemności, większe zakresy temperatur pracy etc.) oraz w obszarze bezpieczeństwa i wzrostu żywotności liczonej w dziesiątkach lat. Jest to dobra sytuacja z punktu widzenia rynkowego, gdyż przy tak dojrzałych technologiach, kolejne wzrosty wolumenów produkcji, doprowadzą do obniżek cen, podobnie jak przez ostatnie 20 lat dokonała się obniżka cen systemów fotowoltaicznych.

Analizując obie technologie widać, że najbliższa przyszłość należy do akumulatorów litowo-jonowych. Ich gęstość energii, temperaturowe zakresy pracy czy duże ilości cykli życia – 5 tysięcy i więcej.

Technologie litowo-jonowe

Z punktu widzenia różnych aplikacji na rynku wykrystalizowały się trzy główne technologie oparte na związkach litu.

Technologia NMC

Technologia LFP (LiFePO₄)

Technologia LTO

W wszystkich tych przypadkach kluczową sprawą jest bezpieczeństwo użytkownika. Dlatego też wszyscy znaczący producenci ogniw i gotowych magazynów energii, przykładają ogromną wagę do procesu badań i certyfikacji, aby przyszły użytkownik mógł cieszyć się wieloletnią bezpieczną i bezawaryjną pracą.

Budowa i zarządzanie magazynem energii

Dowolny zasobnik energii elektrycznej zbudowany z ogniw litowo-jonowych może posiadać napięcie ok. kilkudziesięciu (48V) do kilkuset (800-900V), w zależności od mocy sytemu. Mając na względzie wartość napięcia pojedynczego ogniwa, w zależności od technologii (od 2,5V do 3,7V), uzyskanie odpowiednich napięć DC będzie osiągnięte poprzez szeregowe łączenie ogniw.

W bateriach litowo-jonowych nie występuje problem gazowania i wydzielania się wodoru oraz par kwasu siarkowego. Z tej to przyczyny nie muszą one pracować w specjalnych pomieszczeniach z systemem wentylacji. Z powodu wysokiej gęstości energii w bateriach litowo-jonowych, mogą potencjalnie pojawić się problemy związane z przeładowaniem, zbyt głębokim rozładowaniem oraz ucieczką termiczną (ang. thermal runaway) ogniw. Aby zapewnić bezpieczną pracę takiego magazynu energii, niezbędne jest wyposażenie go w wewnętrzny system zarządzania energią BMS (Battery Management System). Układ ten kontroluje z rozdzielczością +/-1 mV napięcia poszczególnych ogniw w szeregu, zapewniając bezpieczną pracę w zakresie pomiędzy najniższym, a najwyższym dopuszczalnym napięciem na pojedynczym ogniwie.

Ponieważ w połączeniu szeregowym mamy do czynienia z niejednakowym ładowaniem i rozładowywaniem poszczególnych ogniw, układ zarządzania jest wyposażony w efektywny układ balansowania. Pozwala on wyrównywać napięcia i ładunki na poszczególnych ogniwach, przez co zapewnia efektywne wykorzystywanie pojemności baterii oraz wydłuża jej czas życia.

Ponadto prawidłowo zarządzany magazyn energii posiada system kontroli temperatur na każdym z ogniw z rozdzielczością do 1^oC. Pozwala to na bezpieczną pracę całej baterii i natychmiastową reakcję w przypadku przekroczenia dolnej lub górnej dopuszczalnej temperatury pracy na konkretnym ogniwie.

Wybrane zastosowania i aplikacje w Polsce

Współpraca z odnawialnymi źródłami energii

Magazyn o mocy 0,75 MW i 1,5 MWh pojemności energii, składa się z akumulatorów z ogniwami litowo-jonowymi. Znajdują się one w dwóch kontenerach o wymiarach 12m długości, 2,5m szerokości i 3m wysokości. Magazyn może pełnić rolę elektrowni. Zgromadzona w nim energia wystarczy do zasilania przez dwie godziny około 1 tysiąca mieszkańców, w znajdującym się nieopodal 11-tysięcznym Pucku, w przypadku całkowitego odcięcia zasilania z sieci. Magazyn jest całkowicie bezpieczny dla ludzi i środowiska. Praca magazynu kontrolowana jest zdalnie, a osoby odpowiedzialne za bilansowanie energii w sieci, mogą na bieżąco definiować aktualne parametry pracy magazynu.

Ograniczenie mocy zamówionej i zużycia energii 

W przypadku, gdy użytkownik posiada ograniczoną wartości mocy zakontraktowanej u danego dostawcy, to dzięki zastosowaniu systemów magazynowania energii, może uzupełnić swoje dodatkowe potrzeby energetyczne z energii zgromadzonej w zasobniku. W przypadku dobrze dobranego zasobnika do profilu odbiorcy, można ograniczyć całkowitą moc zamówioną u operatora sieci dystrybucyjnej.

Urządzenie może zasilać sieć trakcyjną z wykorzystaniem innych źródeł niż sieć energetyki zawodowej – takich jak agregaty czy źródła odnawialne, a efektywność zasilania można poprawić poprzez funkcję rekuperacji. Istnieje nawet możliwość podłączenia punktów ładowania samochodów elektrycznych.

Instalacja została umieszczona w czterech kontenerach o pojemności całkowitej 1880 kWh i pojemności użytkowej 1500 kWh. Napięcie nominalne każdego kontenera bateryjnego wynosi 3.922 V, a jego pojemność wynosi 470 kWh.

W instalacji zastosowano system BMS, który monitoruje pracę ogniw, a całość jest zarządzana poprzez system SCADA. Zintegrowanie magazynu z siecią trakcyjną następuje za pośrednictwem modułów certyfikowanego pola zasilacza 3 kV DC.

Optymizacja zużycia energii

Mając do dyspozycji własne, odnawialne źródła energii skojarzone z magazynem energii, można regulować zużycie własnej energii, zależnie od naszego okresowego zapotrzebowania, a ewentualne jej nadwyżki przekierować do magazynu, aby je wykorzystać w czasie późniejszym. Przy optymalnie zwymiarowanych, pracujących wspólnie różnych systemach energii odnawialnych oraz współpracującego z nimi odpowiednio dużego magazynu energii, jest możliwe zapewnienie pełnej samowystarczalności energetycznej dla odbiorców, których profile są przewidywalne i dobrze zdefiniowane.

Celem projektu jest zweryfikowanie możliwości świadczenia usług systemowych i usług elastyczności, służących stabilizacji i regulacji pracy sieci dystrybucyjnych średniego napięcia, za pomocą magazynów energii, opartych o ogniwa litowo-jonowe. Projekt został dofinansowany ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.

Magazyn pozwala więc przechowywać produkowaną energię w czasie, gdy cena jest niska i oddać ją do sieci w godzinach, w których cena osiąga wartość maksymalną. Jest to jeden z możliwych do realizacji scenariuszy podnoszących efektywność ekonomiczną elektrowni. Od połowy 2019 r. w EW Lubachów prowadzone są prace przygotowujące obiekt do eksploatacji w ramach opracowanych scenariuszy eksperymentalnych. Scenariusze te zakładają, że warunkach rzeczywistych elektrownia zarządzana będzie całkowicie przez system wirtualnej elektrowni z wykorzystaniem algorytmów decyzyjnych opartych o sztuczną inteligencję.

Docelowo, platforma integrująca potencjał wytwórczy i regulacyjny OZE będzie wykorzystywana nie tylko do zarządzania jednostkami wytwórczymi Taurona, ale również źródłami, magazynami energii oraz odbiorami sterowalnymi w Klastrach Energii, w których Tauron Ekoenergia pełni funkcję Koordynatora.

Praca bezprzerwowa i poprawa jakości energii

W przypadku gdy w systemie energetycznym istnieją problemy z utrzymaniem pracy bezprzerwowej i wysokich parametrów jakości sieci energetycznej, zastosowanie magazynu energii jako elementu systemu bezprzerwowego zasilania odbiorców i pozwalającego na poprawę parametrów jakościowych dostarczanej energii wykorzystanie magazynu energii pozwoli na ciągłą pracę podłączonych odbiorców energii elektrycznej.

Jego podstawowe parametry techniczne ESS:

• moc 50kW (60kVA),
• zgromadzona energia 15,27kWh (12 modułów 1,27 kWh),
• trwałość akumulatorów:> 7000 cykli przy 50% DOD.

Zapewnia on właściwe parametry zasilania w sytuacjach wystąpienia ponadnormatywnych zaburzeń, a w szczególności zapadów napięcia oraz krótkich przerw w zasilaniu:

• regulacja napięcia,
• regulacja częstotliwości,
• regulacja wartości i kierunków przepływu P oraz Q,
• eliminacja zapadów napięcia,
• wygładzanie szczytów poboru mocy,
• synchronizacja z siecią publiczną,
• praca wyspowa.

Podsumowanie

Stale rozwijające się systemy elektroenergetyczne, przede wszystkim generacji rozproszonej i nowe usługi systemowe, będą stymulowały rozwój technologii magazynowania energii. W szerokim zakresie czasów magazynowania, dynamiki zmian mocy generowanej i pobieranej oraz wielkości mocy i energii od kilku kilowatów i kilowatogodzin do pojedynczych megawatów i megawatogodzin, bateryjny zasobnik energii w technologii litowej jest podstawowym rozwiązaniem. Staje się on ważnym elementem systemu, pełniąc rolę nie tylko bufora energii, lecz również jest aktywnym elementem stabilizującym pracę systemu elektroenergetycznego.  

Autor: Radosław Gutowski, przewodniczący Polskiego Komitetu Elektromobilności Stowarzyszenia Elektryków Polskich