Potencjalna rola zasobników energii w procesie dobowego bilansowania KSE

Transkrypt

1 Potencjalna rola zasobników energii w procesie dobowego bilansowania KSE Autor: Bogdan Czarnecki - Instytut Energetyki IB oddział Gdańsk, kierownik Zakładu Strategii i Rozwoju Systemu ("Energia Elektryczna" - 10/2016) Magazynowanie energii nie jest celem samym w sobie, a jedynie narzędziem dla osiągania celów, takich jak: obniżenie kosztów wytwarzania i dostaw energii, emisji zanieczyszczeń, unikania inwestycji w moce szczytowe i sieć elektroenergetyczną czy też bilansowanie Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE). Za pojawiające się obecnie i mające tendencje wzrostową problemy związane z dobowym bilansowaniem KSE winą obarczana jest energetyka odnawialna. W rzeczywistości zagadnienie jest bardziej złożone. Roczna dynamika wzrostu szczytowego zapotrzebowania na moc wynosi od 0,5% zimą do 2,5% latem. Dynamika wzrostu zapotrzebowania na moc w dolinach krzywej obciążenia jest mniejsza i wynosi od -0,3% w grudniu do 1,7% w miesiącach letnich. Prowadzi to do rozchylenia dobowego zapotrzebowania na moc i w konsekwencji powoduje, że coraz większym wyzwaniem staje się pokrycie szczytowego zapotrzebowania na moc przez jednostki wytwórcze centralnie dysponowane (JWCD) pracujące w dolinie krzywej obciążenia. W ciągu kilkunastu ostatnich lat w KSE daje się zaobserwować wzrost zapotrzebowania na rezerwę wirującą, w tym interwencyjną. Analiza piętnastominutowych gradientów zmiany zapotrzebowania na moc wskazuje na sukcesywne zwiększanie gradientów rosnącego (do MW/15 min) i malejącego (do 1100 MW/15 min) zapotrzebowania na moc. Wzrasta również prawdopodobieństwo występowania dużych zmian zapotrzebowania na moc. Skutkiem coraz większej zmienności zapotrzebowania odbiorców na moc jest wzrost zapotrzebowania na usługi regulacyjne świadczone obecnie wyłącznie przez JWCD. Ze względu na coraz większą liczbę zastosowań energii elektrycznej pogarszają się warunki prognozowania zapotrzebowania na moc, co prowadzi do wzrostu błędów prognoz, a w konsekwencji do wzrostu zapotrzebowania na rezerwę wirującą. Podobnie jak w przypadku odbiorców energii, błędy prognoz i związane z nimi rosnące zapotrzebowanie na rezerwę wirującą dotyczą również odnawialnych źródeł energii (OZE), w szczególności technologii uzależnionych od zmiennych i trudno prognozowalnych warunków pogodowych. Ponadto, wzrost mocy zainstalowanej OZE, wynikający jak dotąd głownie z rozwoju energetyki wiatrowej, a w przyszłości również wzrostu wykorzystania fotowoltaiki,

2 biomasy i biogazu, przyczynia się do sukcesywnego zmniejszania udziału jednostek konwencjonalnych w pokrywaniu zapotrzebowania na moc odbiorców, w szczególności w okresie niskiego zapotrzebowania (dolina nocna, dni świąteczne). W takich warunkach zagrożone może być utrzymanie minimalnej wymaganej liczby pracujących systemowych jednostek konwencjonalnych oraz wymaganego poziomu mocy dyspozycyjnej JWCD dla pokrycia zapotrzebowania na moc i zapewnienia rezerwy w kierunku zwiększania generacji. Konwencjonalne jednostki wytwórcze nie będące centralnie dysponowanymi (njwcd) również utrudniają prowadzenie dobowego bilansowania KSE. Dzieje się tak ze względu na ujemną korelację pomiędzy szczytami zapotrzebowania na ciepło sieciowe i energię elektryczną. Ze względu na bezpieczeństwo pracy KSE najistotniejsze jest utrzymanie w ruchu JWCD pracujących w reżimie wymuszeń systemowych oraz zapewnienie rezerwy mocy w kierunkach zwiększenia generacji systemowej w szczycie oraz zmniejszania generacji w dolinie zapotrzebowania 1. Planowana do pracy na dobę następną liczba i moc osiągalna JWCD wynika m.in. z: 1. minimalnej liczby pracujących bloków w wybranych węzłach sieci NN dla spełnienia kryteriów bezpieczeństwa pracy sieci elektroenergetycznej (tzw. systemowe ograniczenia sieciowe); zgodnie z danymi publikowanymi przez PSE SA, suma minimów technicznych bloków systemowych posiadających status generacji wymuszonej systemowymi ograniczeniami sieciowymi wynosi w dolinie letniej około 3000 MW, a w dolinie zimowej około 4000 MW; 2. wymaganej regulacyjności źródeł systemowych, tj. zapewnienia gradientu zmian mocy oddawanej do sieci przez źródła systemowe nie mniejszego niż 100 MW/min (Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej IriESP); mając na uwadze wymagania IRiESP dotyczące parametrów technicznych bloków systemowych (zdolność do zmiany mocy oddawanej do sieci na poziomie nie mniejszym niż 1% mocy zainstalowanej na minutę) oraz biorąc pod uwagę średni współczynnik mocy osiągalnej do mocy minimum technicznego bloków, zapewnienie wymaganej regulacyjności KSE może wymagać zapotrzebowania odbiorców na moc pokrywanego przez JWCD na poziomie 5000 MW; 3. wymaganej rezerwy regulacyjnej w kierunku zmniejszania lub zwiększania generacji bloków systemowych; zgodnie z IRiESP, OSP powinien dysponować rezerwą wirującą w ilości nie mniejszej niż 500 MW w kierunku zmniejszania generacji oraz 8% zapotrzebowania na moc w systemie, w kierunku zwiększenia generacji; o te wielkości należy powiększyć 1 w szczycie nie stanowi problemu obniżenie mocy JWCD pracujących z dużym obciążeniem, podobnie jak w dolinie nie stanowi problemu zwiększenia mocy JWCD pracujących z obciążeniem bliskim minimom technicznym

3 odpowiednio zapotrzebowanie na moc pokrywane przez JWCD w dolinie i moc osiągalną JWCD pracujących w szczycie obciążenia. Powyższe kryteria, ze względu na bezpieczeństwo i niezawodność dostaw energii, muszą zostać bezwzględnie spełnione. Jeżeli kryterium zapotrzebowanie na moc pokrywane przez JWCD nie jest spełnione w dolinie krzywej obciążenia, OSP po wyczerpaniu dostępnych środków zwiększających obciążenie (elektrownie szczytowo--pompowe ESP, łącznie ~1650 MW w trybie pompowym) będzie zmuszony do zredukowania mocy oddawanej do sieci przez jednostki njwcd, w szczególności źródła OZE, co wiąże się z kosztami utraconej produkcji. W przypadku kryterium wymagana moc osiągalna JWCD w szczycie OSP w razie niedostatecznych zasobów po stronie generacji (ESP, łącznie ~1750 MW w trybie generacyjnym oraz usługa redukcji obciążenia DR ~200 MW) jest zmuszony do przywołania do pracy dodatkowych bloków konwencjonalnych. Odstawianie jednostek wytwórczych w dolinie zapotrzebowania i ponowne włączanie do pracy w szczycie zapotrzebowania wpływa negatywnie na żywotność bloku energetycznego i jest związane z dodatkowymi kosztami, w szczególności zużycia paliwa pomocniczego. Reasumując, w pracy KSE dają się obserwować niekorzystne trendy stwarzające coraz większe wyzwania związane z dobowym bilansowaniem systemu. Sukcesywnie maleje zapotrzebowanie na moc do pokrycia przez JWCD w dolinie, natomiast rośnie zapotrzebowanie na moc do pokrycia przez JWCD w szczycie oraz rośnie poziom rezerw mocy wymaganych ze względu na bezpieczeństwo i niezawodność pracy KSE. Technologie magazynowania energii i możliwości ich zastosowania dla dobowego bilansowania KSE Wykorzystanie zasobników energii elektrycznej dla zwiększenia zapotrzebowania na moc w dolinie oraz zwiększenia generacji w szczycie stanowią jedno z rozwiązań problemu dobowego bilansowania KSE. Programowy tryb pracy zasobników przeciwdziała zagrożeniom związanym z niedostateczną liczbą JWCD pracujących w dolinie obciążenia i redukuje koszty związane z uruchomieniami dodatkowych JWCD w szczycie. Obecnie na świecie dostępnych jest szereg technologii magazynowania energii elektrycznej. Wielkość zastosowanego magazynu energii, wymagania eksploatacyjne, dominująca strategia wykorzystania mogą być rożne w zależności od lokalizacji, wymagań użytkownika etc. Kryteria wyboru odpowiedniego magazynu mogą być typowo techniczne lub ekonomiczne. Zastosowanie zasobników energii zależy w szczególności od: oferowanej mocy, czasu ładowania i rozładowania, poziomu napięcia w miejscu przyłączenia do sieci elektroenergetycznej. Ze względu na cel, który ma być osiągnięty dzięki wykorzystaniu zasobników energii dobowe bilansowanie KSE podstawowym kryterium oceny technicznej poszczególnych

4 technologii jest czas ładowania (rozładowania), który powinien być porównywalny z czasami trwania doliny nocnej oraz okresu szczytowego zapotrzebowania na moc. Moc oferowana w poszczególnych technologiach magazynowania jest mniej istotna ze względu na technologie teleinformatyczne, pozwalające na agregację dużej liczby rozproszonych małych instalacji. Powyższe kryteria spełniają wybrane technologie elektrochemiczne (Batery Energy Storage System BESS), CAES, ESP i technologia Power-to-Gas. Rysunek 1. Zastosowanie magazynów energii ze względu moce oraz czasy ładowania i rozładowania Rysunek 2. Możliwości magazynowania energii w poszczególnych technologiach

5 Obok w formie tabelarycznej zestawiono podstawowe parametry techniczne wspomnianych technologii magazynowania energii elektrycznej. Spośród systemów BESS, kryterium czasów ładowania i rozładowania spełniają technologie litowo-jonowa i sodowo- -siarkowa. W tabeli 1 zestawiono ich parametry z punktu widzenia wykorzystania dla bilansowania KSE. Tabela 1 Parametry technologii magazynowania energii zasobników elektrochemicznych Parametry Bateria typu Li-ion Baterie NaS Zakres mocy, MW 0, Czas ładowania/rozładowania 0,5 2 h 5 8 h Liczba cykli pracy Sprawność (%) System magazynowania energii w technologii sprężonego powietrza (Compressed Air Energy Storage CAES) umożliwia, podobnie jak w elektrowniach szczytowo-pompowych, magazynowanie dużych ilości energii elektrycznej (od setek do tysięcy megawatogodzin) w dłuższych okresach (dziesiątki godzin). Technologia zakłada kompresję powietrza w dolinie obciążenia z wykorzystaniem energii elektrycznej, zmagazynowanie, a następnie produkcję energii elektrycznej w szczycie, z wykorzystaniem turbiny gazowej, bez utraty mocy na wale turbiny napędzającej sprężarkę. Obecnie realizowanych jest kilka projektów pilotażowych, głownie z wykorzystaniem nowej generacji CAES z magazynem ciepła w układzie adiabatycznym, o sprawności 70%. Magazynowanie energii w technologii Power-to-gas polega na wykorzystaniu energii elektrycznej (np. zmiennej generacji OZE) do produkcji niskoemisyjnego paliwa gazowego dającego się magazynować (wodór, syntetyczny gaz naturalny SNG), a w dalszej kolejności stabilnej i sterowalnej produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem technologii turbin gazowych lub ogniw paliwowych. Technologia charakteryzuje się bardzo dużymi możliwościami magazynowania energii, co sprawia, że znajduje się w obszarze zainteresowań operatorów systemów z wielu krajów europejskich, m.in. Niemiec, Holandii czy Norwegii. Wadą jak na razie jest niska sprawność cyklu, a co za tym idzie wysokie koszty eksploatacji. Parametrem pozwalającym na porównanie technologii pod względem kosztowym jest wskaźnik LCOE (Levelized Cost of Electricity). Określa on całkowity, uśredniony koszt generowanej energii elektrycznej w całym okresie eksploatacji zasobnika, z uwzględnieniem kosztów inwestycyjnych i operacyjnych.

6 Tabela 2 Parametry techniczne elektrowni CAES Huntorf oraz McIntosh Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania. Parametr CAES Huntorf Wartości parametrów CAES McIntosh Wartości parametrów min max min max Ciśnienie magazynowania [bar] Moc sprężarki [MW] Moc turbiny [MW] Czas ładowania [h] Czas rozładowania [h] 3 26 Sprawność CAES [%] Magazyn sprężonego powietrza (kawerny solne) Głębokość [m] Objętość łączna [m 3 ] Głębokość [m] Objętość [m 3 ] Dyspozycyjność [%] 99 99,5 Czas uruchomienia turbiny > 9 min. 14 min. Tabela 3 Parametry techniczne magazynów energii w technologii power to gas Magazynowany nośnik Parametry Wodór SNG Czas rozładowania godziny - tygodnie godziny tygodnie Czas odpowiedzi sekundy - minuty minuty Żywotność lat lat Liczba cykli Sprawność cyklu magazynowania % % Na rysunku 3 przedstawiono szacunkowe całkowite koszty poszczególnych technologii [w /kwh] wyrażone w postaci ceny energii oddawanej do sieci przez zasobnik.

7 Rysunek 3. Szacunkowe całkowite koszty poszczególnych technologii [ /kwh] Rysunek 4. Oczekiwane koszty inwestycyjne przypadające na jednostkę pojemności zasobnika energii do 2020 roku [2] Należy oczekiwać, że w przyszłości koszt magazynowania energii spadnie, jednakże tempo spadku oraz jego skala są trudne do przewidzenia. Przewidywany koszt elektrochemicznego

8 magazynowania energii wyniesie ok $/kwh. w 2020 roku, a w przypadku baterii litowo- -jonowej ok. 160 $/kwh do 2025 roku. [1] Na rysunku 4 przedstawiono nakład inwestycyjny na jednostkę pojemności rożnych typów zasobników elektrochemicznych. Z punktu widzenia dobowego bilansowania KSE znaczenie ma nie tylko koszt magazynowania energii wyrażony w zł/ MWh pojemności lub zł/mw mocy zainstalowanej, ale przede wszystkim koszt alternatywnych sposobów osiągnięcia założonego celu. Alternatywne środki bilansowania KSE Podstawowym sposobem zwiększenia elastyczności pracy KSE jest obniżanie minimów technicznych JWCD oraz zwiększanie dopuszczalnych gradientów zmian mocy oddawanej przez nie do sieci. Jest to jednak proces długotrwały, skorelowany z zastępowaniem wyeksploatowanych JWCD nowymi jednostkami, a przede wszystkim znacznie wolniejszy od tempa narastania niekorzystnych zjawisk w KSE. Alternatywnym rozwiązaniem dla magazynowania energii elektrycznej jest magazynowanie ciepła. Ze względu na ujemną korelację pomiędzy zapotrzebowaniem na energię elektryczną i ciepło sieciowe, energię elektryczną wytworzoną w szczycie zapotrzebowania na ciepło można zmagazynować i zużyć w szczycie zapotrzebowania na energię elektryczną lub ciepło wytworzone w szczycie zapotrzebowania na energię elektryczną zmagazynować i zużyć w szczycie zapotrzebowania na ciepło. Działania w tym kierunku są już prowadzone przez OSP. Oczywistym z technicznego punktu widzenia rozwiązaniem zwiększającym liczbę JWCD mogących pracować w dolinie obciążenia jest redukcja mocy oddawanej do sieci przez njwcd, w szczególności źródła OZE. Rozwiązanie zapobiega zarówno problemom niedostatecznej liczby JWCD w dolinie, jak i uruchomieniom JWCD szczycie. Prowadzi jednak do powstawania wysokich kosztów (utraconych korzyści operatorów OZE), w związku z czym powinno być traktowane jako ostateczność. Jednym ze sposobów zwiększenia liczby JWCD pracujących w dolinie obciążenia jest alokacja części rezerwy wirującej w kierunku zmniejszania generacji na jednostkach OZE. OSP utrzymuje pasmo 500 MW regulacji w dół, ale średni poziom wykorzystania stanowi niewielki procent całego pasma. Alokacja rzadko wykorzystywanej części pasma regulacyjnego na źródła OZE gwarantuje zachowanie bezpieczeństwa prowadzenia ruchu, przy równoczesnym unikaniu redukcji mocy oddawanej przez nie do sieci, w szczególności prewencyjnego, głębokiego i długotrwałego redukowania mocy njwcd OZE. Jeżeli pasmo regulacji alokowane na OZE zostanie przez OSP wykorzystane, to redukcje będą precyzyjnie dostosowane do potrzeb i zniesione z chwilą ustąpienia przyczyn. Alokacja rezerwy wirującej na OZE pozwoli na pracę wszystkich JWCD z mocą bliską minimum technicznego, a w konsekwencji na zwiększenie liczby bloków mieszczących się pod krzywą obciążenia w

9 dolinie. Rozwiązanie zapobiega zarówno problemom niedostatecznej liczby JWCD w dolinie, jak i uruchomieniom JWCD w szczycie. Zarządzanie obciążeniem (Load Management LM) oraz odpowiedź strony popytowej (Demand Response DR) rozwiązują problem uruchomień JWCD w szczycie, ale ponieważ LM/DR nie definiują, kiedy i czy w ogóle ma zostać pobrana z sieci energia nie zużyta w szczycie, programy popytowe nie niwelują zagrożeń związanych z niedostateczną liczbą JWCD pracujących w dolinie obciążenia. Literatura 1. TEN/567 Magazynowanie energii czynnik integracji i bezpieczeństwa energetycznego; Bruksela, 1 lipca 2015 r. Opinia Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego w sprawie: Magazynowanie energii czynnik integracji i bezpieczeństwa energetycznego. 2. Battery storage for renewables: market status and technology outlook; IRENA International Renewable Energy Agency; Junuary C. Daniel, J. Besenhard; Handbook of Battery Materials, Weinheim, B. Elmegaard, W Brix; Efficiency of Compressed Air Energy Storage. 5. A. Weber, M. Mench, J. Meyers, P. Ross, J. Gostick, Q. Liu; Redox flow batteries: a review, Journal of Applied Electrochemistry Volume 41, Issue, październik 2011.