Tradycyjny, pięcioetapowy system produkcji i dystrybucji energii elektrycznej

Transkrypt

1

2

3 Tradycyjny, pięcioetapowy system produkcji i dystrybucji energii elektrycznej Wydobycie surowców energetycz nych, OZE Produkcja elektryczno ści Przesył energii (wysokonapięciowy ) Rozdział energii (średnionapieciowa ) Dostawa do konsum. (niskonapieciowa )

4 Smart grids and energy storage

5 Cel magazynowania energii elektrycznej: poprawa efektywności wytwarzania energii; lepsza sprawność zarządzania systemami produkcji i przesyłu; poprawa jakości energii; lepsze wykorzystanie odnawialnych źródeł energii

6 : Wykorzystanie do wyrównywania obciąŝeń i obcinania pików Rozładowanie pojemników Rozładowanie pojemników Krzywa obciąŝenia Produkcja energii Magazynowanie energii Magazynowanie energii Dzień Dzień Noc Noc

7 : Skutki gwałtownej zmiany obciąŝenia Dopuszczalna zmiana częstotliwości Spadek częstotliwości Wzrost częstotliwości Częstotliwość Napięcie Spadek napięcia Wzrost napięcia ObciąŜenie Dopuszczalna zmiana napięcia Wzrost Spadek obciąŝenia Czas

8 ; Łagodzenie gwałtownej zmiany obciąŝenia przez wykorzystanie pojemnika energii Dopuszczalna zmiana częstotliwości Częstotliwość w normie Częstotliwość Napięcie w normie Napięcie ObciąŜenie Dopuszczalna zmiana napięcia Wzrost Spadek obciąŝenia Czas

9 Brak pojemników energii kosztuje! sprawność siłowni cieplnych dla optymalnej mocy: ok. 38%, spadek sprawności w nocy do 28-31% jeŝeli sprawność magazynowanie powyŝej 85%: obniŝenie emisji CO 2 straty spowodowane złą jakością energii, np. w USA 51.5 mld $/rocznie

10 Zimny start Ciepły start Gorący start Rezerwa wirująca Koszt paliwa, energia potrzebna do uruchomienia Koszty niskiego i zmiennego poboru mocy, koszt paliwa dodatkowego Koszty wyłączeń zasilania Obsługa, gotowość i koszty kapitałowe

11 Problemy z odnawialnymi źródłami energii często poza siecią, w odosobnieniu, zmieniająca się w szerokim zakresie moc wyjściowa, szybkie fluktuacje mocy, nie produkują energii gdy jest najbardziej potrzebna, często produkują energię, gdy nie jest potrzebna niski średni współczynnik wykorzystania mocy (0.2 generatory wiatrowe, 0.1 fotowoltaika) wysoki koszt energii

12 Energia ze źródeł odnawialnych nie koreluje z zapotrzebowaniem na energię (przykład: ogniwa fotowoltaiczne) ObciąŜenie Ogniwo PV Moc (W) Czas zegarowy

13 ; Pojemnik energii poprawia jakość energii (przykład: turbina wiatrowa + koło zamachowe) Częstotliwość (%) bez pojemnika en. z pojemnikiem en. Czas (s)

14 Zarządzanie energią Jakość energii Maksymalny czas rozładowania Sekundy Minuty Godziny 1 kw 10kW 100kW 1MW 10MW 100MW Moc

15 : Czas zaniku napięcia zasilania w sieci (USA): 0.03 s < 67% < 0.33 s < 35% 0.33 s > 8%

16 Sposoby magazynowania energii Chemiczne: Wodór Biopaliwa Paliwa syntetyczne, metanol Elektrochemiczne: - Akumulatory - Akumulatory przepływowe - Ogniwa paliwowe

17 Sposoby magazynowania energii Elektryczne Kondensatory Superkondensatory Nadprzewodzące pojemniki energii (SMES) Mechaniczne Magazyny na spręŝone powietrze (CAES) Koła zamachowe Akumulatory hydrauliczne Elektrownie szczytowo-pompowe SpręŜyny

18 Magazynowanie energii Pośrednie W zbiornikach naturalnych W zbiornikach sztucznych Akumulatory Akumulatory przepływowe Koła zamachowe Elektrownie szczytowopompowe Ciepło SpręŜone powietrze wodór Bezpośrednie Magnetyczne SMES Elektryczne Superkondensatory

19 Ogniwa GALWANICZNE Piotr Tomczyk AGH University of Science and Technology, Faculty of Fuels and Energy, Krakow

20 Rodzaje akumulatorów elektrochemicznych klasycznych

21 Akumulator siarka-sód

22 Akumulator siarka-sód Konfiguracje rozwiązań Ogniwa Ni-S uŝywane w samochodzie

23 Komercyjne zastosowania akumulatorów Na-S

24 Akumulator przepływowy zasada działania

25 Akumulator przepływowy wanadowy

26 Jednostka demonstracyjna akumulatorów przepływowych (wanadowych)

27 Przykłady zastosowania akumulatorów w energetyce Akumulatory kwasowo-ołowiowe Rok Moc Pojemność Zastosowanie Uwagi BEWAG, Berlin MW 14 MWh Rezerwa wirująca Zamkniete Niemcy Kontrola częstot SCE, Chino, USA MW 40 MWh Wielozadaniowe Zamk Akumulatory kadmowo-niklowe Golden Valley MW 14 MWh Rezerwa wirująca Maks. Moc Alaska, USA Kontrola częstot. 40 MW Akumulatory siarka-sód Tsuanshima MW 48 MWh Wyrównywanie obc. Hitachi MW 57 MWh Łagodzenie pików Akumulatory przepływowe Imajuku, Japonia MW 4 MWh Inst. pokazowa Osaka, Japonia MW 1.5 MWh Łag. pików, UPS 3 MW w 1.5 s. Pacificorp. Utah, USA kw 2 MWh Łagodzenie pików

28 Zalety: Magazynowanie energii elektrycznej Akumulatory elektrochemiczne wygodna charakterystyka napięciowa wygodne wymiary długoletnie doświadczenia produkcyjne Wady: ograniczona liczba cykli ładowanierozładowania ograniczenia w napięciach i prądach pracy często nieprzyjazne dla środowiska

29 Superkondensatory Optymalne warunki pracy dla superkondensatorów

30 Superkondensatory

31 Superkondensatory Czas ładowania Czas rozładowania Energia wł. (Wh/kg) Liczba cykli Moc wł. (W/kg) Sprawność lad/rozł Akumulator kwasowoołowiowy Ultrakondensator Tradycyjny kondensator Ładowanie Ładowanie Rozładowanie Rozładowanie Akumulator Ultrakondensator

32 Superkondensatory

33 Superkondensatory Zalety: wysoka moc właściwa duŝa liczba cykli ładowanierozładowanie szybkie ładowanie Wady: niska zmagazynowana energia właściwa drogie spadek napięcia w trakcie rozładowania

34 Koła zamachowe (zasobniki bezwłasnościowe) Rodzaje kół zamachowych: Niskoobrotowe: Ok rpm Materiał: stal Wysokoobrotowe: ok rpm kompozyty węglowe i z włókien szklanych łoŝyskowanie magnetyczne praca w próŝni

35 Koła zamachowe (zasobniki bezwłasnościowe)

36 Koła zamachowe Zalety: wysoka gęstość mocy duŝa liczba cykli ładowanierozładowanie szybkie ładowanie moŝliwość niezaleŝnego projektowania mocy i energii Wady: niska zmagazynowana energia właściwa duŝe straty na biegu jałowym potencjalnie niebezpieczne

37 Nadprzewodzące zasobniki energii Naczynie helowe System zasilania System chłodzenia System kontroli i sterowania Odbiornik

38 Nadprzewodzące zasobniki energii

39 Pojemniki nadprzewodzące (SMES) Zalety: wysoka moc szybkie ładowanie Wady: niska właściwa energia magazynowana duŝe straty pasoŝytnicze drogie

40 Kompresyjne zasobniki energii zmodyfikowany obieg Brytona (ok. 30% oszczędności paliwa) adiabatyczne (projektowane ostatnio przez RWE w Niemczech)

41 Elektrownie na spręŝone powietrze Zalety: duŝe moce i energie zmagazynowane Wady: wymaga specjalnego miejsca lokalizacji droga w budowie i obsłudze wolne uruchomienie słaba kompatybilność z energetyką rozproszoną

42 Elektrownie szczytowo-pompowe Zalety: ogromne moce i energie magazynowane relatywnie tania obsługa Wady: specjalna lokalizacja droga w budowie nieuŝyteczna w energetyce rozproszonej

43 Maksymalny czas rozładowania Sekundy Minuty Godziny Ogn. metalpowietrze Nowoczesne akumulatory Akumulatory przepływowe, Na-S Zarządzanie energią Jakość energii Akumulatory kwasowo-ołowiowe Koła zamachowe wysokoobrotowe Superkondensatory Koła zamachowe niskoobrotowe El. spręŝone powietrze SMES El. szczytowo -pompowe 1 kw 10kW 100kW 1MW 10MW 100MW Moc

44 Wnioski wzrost zainteresowania i inwestycji dla pojemników energii, konieczność stosowania zasobników energii w inteligentnych sieciach przesyłowych znaczący postęp technologiczny we wszystkich rodzajach pojemników, w szczególności: akumulatory przepływowe koła zamachowe SMES elektrownie na spręŝone powietrze gospodarka wodorowa