Skutki wzrostu mocy zainstalowanej w turbinach wiatrowych Przykład USA

Transkrypt

1 Skutki wzrostu mocy zainstalowanej w turbinach wiatrowych Przykład USA Jussi Heikkinen Director, Business Development 1 Wärtsilä JH 25.Feb.2009

2 Przykład amerykański charakterystyka systemu Wiele obszarów regulacyjnych z połączeniami o ograniczonej przepustowości Wszystkie obszary regulacyjne muszą mieć odpowiednią moc rezerwową Ograniczona moc zainstalowana w elektrowniach wodnych ACE (Area Control Error) pomiary co 10 sekund, obliczanie średniej 10- minutowej (Niemcy 15-minutowa, Wlk. Brytania 30-minutowa) FERC/NERC ustala wymogi rezerw wirujących i innych dla każdego obszaru regulacyjnego na podstawie zdolności do pokrycia ACE Gwałtowny wzrost mocy zainstalowanej w wietrze (8,4 GW 2008), główne cele RPS Gwałtowne zmiany wiatrów, szczególnie w obszarach górskich PJM wprowadziło 5-minutowy okres bilansowania, istnieje trend skracania tych okresów (co wymaga dużej mocy obliczeniowej) W wielu obszarach bilansowych nie występuje nadmiar mocy 2 Wärtsilä

3 Stare dobre czasy Projekt systemu i rozkład obciążeń 1. Obszerne dane o obciążeniach rzeczywistych dokładne prognozowanie obciążeń 2. System zaprojektowany dla przewidywalnych obciążeń 3. Obciążenia rozdzielane według kosztów zmiennych produkcji energii Podążanie za obciążeniem, moce szczytowe i rezerwowe 1. Podążanie za obciążeniem oraz zaspokajanie szczytów elektrowniami wodnymi (jeśli dostępne) oraz dużymi elektrowniami parowymi wyłączanymi lub eksploatowanymi przy obciążeniu częściowym podczas obniżonego zapotrzebowania. 2. Rezerwa mocy zapewniana głównie przez stare elektrownie oraz duże przemysłowe turbiny gazowe na paliwo ciekłe zainstalowane w węzłach sieci przesyłowej Świeży powiew! 3 Wärtsilä

4 Skutki integracji turbin wiatrowych Skutki dla rozdziału obciążeń i niezawodności systemu 1. Wprowadzenie nieregulowanej i szybkozmiennej składowej mocy 2. Typowy błąd 1 3 godzinnych prognoz mocy z turbin wiatrowych to 20 30% całkowitej mocy zainstalowanej w wietrze 3. Krótkoterminowa prognoza obciążenia innych jednostek wytwórczych zawiera błąd 4. Konieczna pełna rezerwa dla warunków bezwietrznych 5. Zwiększony koszt bilansowania systemu Typowe lekarstwa 1. Akceptowanie większego błędu ACE (Area Control Error) 2. Wzmacnianie sieci dla poszerzenia obszaru bilansowania 3. Budowa szybkouruchamiających się mocy bilansujących 4 Wärtsilä

5 Dynamika krzywej obciążeń z uwzględnieniem wiatru System Load (MW) Przewidywalne obciążenie dobowe Moc z wiatru Obciążenie pozostałych JW Pozostałe jednostki wytwórcze :00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 Pozostałe jednostki wytwórcze Niższe obciążenie średnie i więcej pracy na obciążeniach częściowych (koszty) Szybsze zmiany obciążeń Więcej rozruchów i odstawień (koszty) 5 Wärtsilä 03 March 2009 WÄRTSILÄ POWER PLANTS

6 Regulacja częstotliwości w SEE Przywrócenie normalnej CZĘSTOTLIWOŚĆ SYSTEMOW A 60 Hz Ograniczenie odchylenia 5 30 s Uruchomienie Zdolność do szybkiego przyjęcia obciążenia: > największy blok [MW] Uruchomienie automatyczne (spadkiem częstotliwości) Rezerwa wirująca REZERWA I STOPNIA (PRMIARY CONTROL) Koszt regulacji częstotliwości? Przejęcie obciążenia Zwolnienie rezerwy Moc: ~ 1,5 % mocy w sieci [MW] Więcej przy wzroście udziału turbin wiatrowych Dyspozytor AGC REZERWA II STOPNIA (SECONDARY CONTROL) 30 s 10 min Przejęcie obciążenia Zwolnienie rezerwy min REZERWA TERTIARY III STOPNIA (TERTIARY CONTROL CONTROL) ~ 5 % mocy zainstalowanej [MW] Więcej przy wzroście udziału turbin wiatrowych Sterowanie ręczne 6 Wärtsilä

7 Rozdział obciążeń w Colorado Przykład: rzeczywiste krzywe Xcel Energy, Colorado USA PSCo (X 2008): Moc zainstalowana łącznie MW Moc zainstalowana w turbinach wiatrowych MW 7 Wärtsilä

8 Kiedy wieje? Zmienność mocy dostarczanej przez turbiny wiatrowe nie zawsze pokrywa się ze zmiennością zapotrzebowania MW Sep-08 09:50: PSCo Obligation Load 8/26/08 8/27/08 8/28/08 8/29/08 8/30/08 8/31/08 9/1/08 9/2/08 9/3/08 Total PSCo Wind Generation Tygodniowa krzywa obciążenia i mocy z wiatru w sieci przesyłowej w Colorado, USA, VIII/IX Wärtsilä

9 Ściganie wiatru w Colorado 9 Wärtsilä

10 Usługi stabilizujące w USA Usługi stabilizujące (Ancillary Services) to moc (rezerwowa) niezbędna dla zapewnienia stabilności systemu Moce wytwórcze (i koszty) po stronie operatorów obiektów; zapotrzebowanie po stronie operatora systemu przesyłowego Normalna praca 1. Regulacja w górę/w dół AGC 2. Generacja mocy biernej regulacja napięcia Operacje awaryjne 3. Rezerwa wirująca szybka 4. Rezerwa niewirująca wolniejsza 5. Zdolność do black startu uruchamianie sieci po blackoucie Pula mocy MWh Pula usług stab. Ancillary Services Elektrownia 10 Wärtsilä

11 Bilansowanie systemu porównanie technologii Układ Przemysł. Steam Gas combi Industrial Aeroderivate Reciprocating Elektrownia Elektrownia gazowo- turbina turbina Silnik Elektrownia Nuclear jądrowa power węglowa plant -parowy cycle gas gazowa turbine gas gazowa tłokowy wodna turbine engine Hydro 10 Start minute i pełne obciążenie start & 100 w 10 % minload (NSR) YES YES ***) YES Regulation Regulacja +/-5% +/-5% YES YES YES YES Spinning Rezerwa wirująca reserve YES **) YES **) YES *) YES *) YES YES Load Podążanie following za obciążeniem YES YES YES YES YES YES Lotniczopochodna *) Zakres wykorzystania rezerwy wirującej może być ograniczony niską sprawnością przy obciążeniach częściowych **) Zakres wykorzystania rezerwy wirującej ograniczony szybkością zmiany obciążenia ***) Silniki tłokowe zapewniają 25 % mocy el. w 2 minuty i osiągają pełną moc << 10 min od polecenia uruchomienia. Wnioski Najlepszym sposobem bilansowania mocy wiatrowych są elektrownie wodne jeśli są dostępne. Większość technologii energetycznych jest niedostatecznie elastyczna lub ma zbyt małą sprawność przy obciążeniach częściowych dla zapewnienia dynamiki niezbędnej dla bilansowania systemu z dużą mocą zainstalowaną w wietrze. 11 Wärtsilä

12 Sytuacja w USA 1000 MW w ścigających wiatr elektrowniach Wärtsilä w USA Rozmiar obiektu MW Lokalizacja w węzłach sieci i miastach Tryb eksploatacji: bilansowanie dynamiczne Sprzedaż usług rezerwowych i energii Do 1000 rozruchów rocznie Obiekty uruchamiane jako pierwsze w wypadku zaniku wiatru 12 Wärtsilä

13 Elastyczna wielozadaniowa elektrownia Umożliwia integrację mocy wiatrowych Łatwa do zlokalizowania, także w mieście Lekki wygląd obiektu Mały wpływ warunków otoczenia na osiągi Brak zużycia wody Elastyczne rozmiary, wiele zespołów prądotwórczych, łatwość późniejszej rozbudowy obiektu Niezależność Elastyczność Wiele opcji paliwowych GZ, wymagane ciśnienie 5 bar oleje lekkie, ciężkie, biopaliwa Konkurencyjne koszty eksploatacji Łatwa eksploatacja, globalny serwis 24/7 Liczba uruchomień/odstawień nie wpływa na koszt eksploatacji i kalendarz prac serwisowych 13 Wärtsilä Bilansowanie Zdalne uruchomienie, 25% mocy el. w 100 s Szybki przyrost mocy, 100% w ciągu 6 min Rezerwa niepracująca Podążanie za obciążeniem Zapewnianie mocy szczytowej Rezerwa wirująca, zakres mocy % Regulacja Samostart sieci (black start) Efektywność 45% sprawności elektrycznej w układzie prostym, płaska charakterystyka przy zmniejszonym obciążeniu Ekonomiczna przy każdym obciązeniu Niezależne jednostki wytwórcze, obciążenie obiektu 0 100% przy takiej samej wysokiej sprawności

14 Elastyczna wielozadaniowa elektrownia Budowa czystych i wysokosprawnych jednostek wytwórczych w rejonie występowania zapotrzebowania. Unikanie konstrukcji linii przesyłowych ograniczanie strat. Ta sama jednostka wytwórcza może: produkować energię (w podstawie i szczycie), bilansować system (szybko), ścigać wiatr. Umożliwia zwiększenie mocy w wietrze (OZE) Umożliwia optymalizację pracy elektrowni parowych Zapewnia konkurencyjność oraz prawidłową pracę SEE w niepewnej przyszłości 14 Wärtsilä

15 Wnioski 1. Integracja turbin wiatrowych nierozerwalnie wiąże się z: Błędami prognozowania Koniecznością bardziej dynamicznej pracy systemu 2. Istniejące jednostki wytwórcze nie są przystosowane do jednoczesnych Zmian obciążenia (zapotrzebowania) Szybkich zmian mocy z turbin wiatrowych 3. Rozbudowa sieci przesyłowych daje krótkotrwałe odciążenie poprzez rozkład wpływu mocy wiatrowych na większy obszar. 4. W sieciach z dużym udziałem mocy wiatrowych (>5% mocy zainstalowanej) wymagane są jednostki elastyczne, szybkouruchamialne. 5. Technologie energetyczne Wärtsilä dowiodły swej wielozadaniowości i elastyczności w zastosowaniach praktycznych. 15 Wärtsilä

16 Nowe rozwiązania dla nowoczesnych przedsiębiorstw Dziękuję za uwagę. 16 Wärtsilä