Możliwości i perspektywy magazynowania energii w generacji rozproszonej

Transkrypt

1 Radosław Szczerbowski 1, Bartosz Ceran Politechnika Poznańska Logistyka - nauka 2 Możliwości i perspektywy magazynowania energii w generacji rozproszonej Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym Istotną cechą systemu elektroenergetycznego jest brak możliwości magazynowania energii elektrycznej na skalę przemysłową. Cała produkowana energia jest natychmiast zużytkowana. Elektrownie muszą być przygotowane do pokrywania chwilowych zmian obciążenia wynikających z trybu życia odbiorcy, jego przyzwyczajeń i organizacji pracy. System elektroenergetyczny musi być zdolny do zmiany ilości i kierunków przesyłanej energii. Jest to możliwe dzięki licznym połączeniom, które zapewnia sieć linii elektroenergetycznych. Im sieć jest bardziej rozbudowana, tym większa szansa na niezawodną dostawę energii do każdego odbiorcy. Poszczególne rodzaje elektrowni wypełniają swoje zadania wytwórcze pokrywając część aktualnego zapotrzebowania (Rys. 1). Wyróżnia się elektrownie podstawowe (nowoczesne elektrownie cieplne parowe, jądrowe, wodne przepływowe oraz elektrownie podszczytowe), elektrownie szczytowe (elektrownie cieplne parowe starszych typów oraz elektrownie wodne zbiornikowe), elektrownie szczytowe (elektrownie wodne szczytowo-pompowe oraz elektrownie z turbinami gazowymi). Generacja rozproszona pełni coraz większą rolę w systemie elektroenergetycznym, zwłaszcza elektrownie wiatrowe i słoneczne. Wadą ich jest jednak fakt, że pracują jedynie w sprzyjających warunkach atmosferycznych. Nie są, zatem w pełni dyspozycyjne, wymagają uruchamiania i efektywnego sterowania w czasie rzeczywistym źródeł rezerwujących w szczytach zapotrzebowania oraz możliwości sterowania poborem w dolinach zapotrzebowania na energię elektryczną. Istotny problem stanowi także prognozowanie produkcji energii elektrycznej z generacji rozproszonej. Rys. 1. Pokrywanie obciążenia dobowego przez elektrownie: a podstawowe, b podszczytowe, c 1 +c 2 szczytowe Źródło [3] 1 Dr inż., R. Szczerbowski, adiunkt, Politechnika Poznańska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektroenergetyki 2 Mgr inż., B. Ceran, asystent, Politechnika Poznańska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektroenergetyki 4953

2 Prowadzone analizy dotyczące wpływu pracy źródeł rozproszonych na system elektroenergetyczny wskazują, że pojawienie się w systemie źródeł rozproszonych może niekorzystne wpływać na jego pracę, przy czym oddziaływania w znacznym stopniu zależą od nasycenia systemu źródłami rozproszonymi. W związku z tym prowadzone, są równolegle badania dotyczące zminimalizowania niekorzystnego wpływu źródeł rozproszonych na system elektroenergetyczny. W tym kontekście pojawia się problem wykorzystania magazynów energii elektrycznej, które w najbliższej przyszłości powinny skutecznie wyeliminować wady generacji rozproszonej w systemie elektroenergetycznym. Obecnie jedynym stosowanym powszechnie sposobem magazynowania energii jest praca elektrowni szczytowo-pompowej, w której w godzinach małego obciążenia woda jest przepompowywana ze zbiornika dolnego do górnego. Elektrownie pompowe charakteryzują się wysoką dyspozycyjnością, łatwością i szybkością uruchamiania, odstawiania i regulacji obciążenia [3, 7]. Praca źródeł odnawialnych w systemie elektroenergetycznym Odnawialne źródła energii elektrycznej, ze względu na swoją niewielką moc jednostkową, należą do rozproszonych źródeł energii elektrycznej. Największa losowość wytwarzania energii dotyczy źródeł wiatrowych (Rys. 2). Elektrownie wiatrowe, pracujące w systemie elektroenergetycznym, nie są w pełni dyspozycyjne, wymagają uruchamiania źródeł rezerwowych, które mogłyby pokryć zapotrzebowanie na energię przy braku dobrych warunków atmosferycznych (odpowiednia prędkość wiatru). Podobne problemy, mimo mniejszej zmienności gęstości promieniowania w stosunku do prędkości wiatru, będą sprawiały w przyszłości systemy fotowoltaiczne (Rys. 3). Rys. 2. Pomiary wietrzności na terenie Politechniki Poznańskiej marzec

3 Rys. 3. Pomiary nasłonecznienia na terenie Politechniki Poznańskiej marzec 2014 Cieplne elektrownie parowe, ze względów technologicznych, nie nadają się do szybkich zmian mocy generowanej w krótkich odstępach czasu. Niezbędne jest zatem zapewnienie rezerwy zasilania w miejscu przyłączenia tego typu źródeł, nawet do stu procent zainstalowanej mocy w taki sposób, aby nie ingerować w pracę elektrowni cieplnych pracujących w podstawie systemu. W przypadku coraz większej ilości dołączanych do systemu odnawialnych źródeł energii, takich jak elektrownie wiatrowe i słoneczne, konieczne będzie wprowadzanie technologii magazynowania energii opartych na konwersji energii elektrycznej do innej postaci np. energii chemicznej. Metody magazynowania energii Magazynowanie energii jest problemem, który istnieje od wielu lat. Niestety postęp technologiczny w zakresie magazynowania energii elektrycznej jest znacznie mniejszy od nowoczesnych rozwiązań stosowanych w systemie elektroenergetycznym. Wprowadzenie do systemu źródeł cechujących się chimeryczną pracą, powoduje konieczność poszukiwania nowych rozwiązań technicznych, które umożliwią stabilizację pracy systemu elektroenergetycznego. Obecnie dostępne zasobniki energii wykorzystują, zarówno dojrzałe technologie umożliwiające magazynowanie energii elektrycznej, jak i te nowatorskie, które nie zostały jeszcze skomercjalizowane. Do technologii umożliwiających magazynowanie energii elektrycznej możemy zaliczyć: elektrownie wodne szczytowo-pompowe, akumulatory, pneumatyczne zasobniki energii (CAES ang. Compressed Air Energy Storage), superkondensatory, kinetyczne zasobniki energii, nadprzewodzące zasobniki energii (SMES ang. Superconducting Magnetic Energy Storage) oraz ogniwa paliwowe (FC ang. Fuel Cells) pracujące w układach z elektrolizerami i magazynowaniem wodoru. W tablicy 1 przedstawiono podstawowe parametry charakterystyczne stosowanych obecnie magazynów energii elektrycznej [6]. Zasobniki energii elektrycznej powinny charakteryzować się następującymi parametrami: duża ilość zgromadzonej energii, duża moc maksymalna oraz moc ciągła, szybkość magazynowania energii i krótki czas przejścia z tego trybu na tryb oddawania energii, dyspozycyjność, wysoka sprawność, długi okres eksploatacji i niskie koszty. 4955

4 Elektrownia wodna szczytowopompowa Zakres mocy (MW) Logistyka - nauka Tabela 1. Porównanie cech zasobników energii Czas ładowania Czas rozładowania Czas życia lub ilość cykli pracy Lata/ilość cykli Spadek nagromadzonej energii Sprawność (%/dzień) (%) h 3 10 h lat CAES h 3 24 h lat Koło zamachowe 0,01 10 sek. godz. sek. min , Bateria Li-ion 0,1 20 1min 8h 15min 4h ,1 0, Bateria NaS min 8h 30min 8h , Super-kondensator 0,01 1 ms min. < 30 s Ogniwo paliwowe wodorowe 0, min. tydz. min. tydz lat SMES 0,1 10 ms sek. sek. min Źródło: opracowanie własne na podstawie [1, 2, 4, 5, 8, 9] Koncepcja systemu elektroenergetycznego przyszłości W związku z integracją wielu małych źródeł zasilających operatorzy sieci energetycznych mają coraz większą trudność ze zbilansowaniem mocy, a co za tym idzie wahań częstotliwości. Skuteczną techniką pozwalającą na bilansowanie wielu małych źródeł skupionych na niewielkim obszarze jest wykorzystanie możliwości łączenia ich w jeden system. Dzięki temu można traktować je jako pojedyncze duże źródło. Grupy takich skupionych źródeł generacji rozproszonej możemy nazwać elektrownią wirtualną (Rys. 4). Wirtualna elektrownia łączy zatem ze sobą na określonym obszarze wiele różnych lokalnych źródeł energii elektrycznej (elektrownie wodne, wiatrowe, fotowoltaiczne, małe turbiny gazowo-parowe, generatory napędzane silnikami, itp.) oraz zasobniki energii elektrycznej (zbiorniki wodne, akumulatory), które sterowane są zdalnie za pomocą rozbudowanego systemu informatycznego. 4956

5 Rys. 4. Koncepcja systemu elektroenergetycznego przyszłości Wirtualna elektrownia, aby spełniać swoją rolę w systemie elektroenergetycznym, powinna wypełniać zadania związane z regulacją mocy i napięć. Podobnie jak elektrownie systemowe powinna brać udział w planowaniu zapotrzebowania energii. Ważną rolę w tworzeniu wirtualnych elektrowni powinny spełniać zasobniki energii pozwalające dostosować wytwarzanie energii elektrycznej do dobowych zmian zapotrzebowania odbiorców. Moce jednostkowe urządzeń wytwórczych w elektrowniach wirtualnych wykorzystujących rozproszone źródła energii pierwotnej nie są porównywalne z mocami dużych elektrowni systemowych. Ponadto rodzaj źródła energii pierwotnej tych urządzeń, której dostępność wyznaczają najczęściej warunki meteorologiczne, stawia te elektrownie w grupie źródeł, które muszą być rezerwowane. Pracują one wtedy, kiedy istnieją odpowiednie warunki [11]. Koncepcja współpracy źródeł o losowym charakterze wytwarzania energii z układem magazynowania elektrolizer ogniwem paliwowe Energię wytworzoną w źródłach odnawialnych należy wykorzystywać w sposób najbardziej efektywny, dlatego należy magazynować, poprzez produkcję wodoru w procesie elektrolizy, tylko nadwyżkę energii wytworzoną z wiatru i promieniowania słonecznego. Wyprodukowany wodór przeznaczony jest do zasilania ogniwa paliwowego, które wytwarza energię elektryczną, w okresie, gdy jest ona potrzebna odbiorcy. Bezpośrednie wykorzystanie energii w okresie, gdy panują sprzyjające warunki pogodowe oraz istnieje zapotrzebowanie u odbiorcy, pozwala na minimalizacje strat związanych z przemianami energii z jednej formy w drugą [10]. Autorzy przebadali wpływ warunków słonecznych i wietrznych na pracę elektrolizera. Do badań zastosowano model fizyczny w mikroskali składający się z trzech źródeł wytwarzających energię elektryczną tj. ogniw paliwowych, ogniw fotowoltaicznych i elektrowni wiatrowej (Rys. 5). 4957

6 Rys. 5. Schemat blokowy Elektrownia wiatrowa i słoneczna pracujące na elektrolizer OP ogniwo paliwowe, PV ogniwo fotowoltaiczne, EW elektrownia wiatrowa, El elektrolizer Elektrolizer zasilano elektrownią wiatrową dla różnych wartości prędkości wiatru napędzającego turbinę, wymuszonego za pomocą wentylatora z trzema stanami pracy oraz słoneczną dla trzech różnych wartości natężenia promieniowania słonecznego. Rysunek 6 przedstawia czas produkcji wodoru przez elektrolizer przy zasilaniu go elektrownią wiatrową, elektrownią słoneczną i obiema jednocześnie. Rys. 6. Porównanie czasów produkcji 20ml wodoru dla 3 przypadków: 1 pracuje turbina wiatrowa, 2 pracuje ogniwo fotowoltaiczne, 3 pracują oba źródła Zgodnie z treścią zasady zachowania energii, dostarczenie jej większej ilości w krótszym czasie do elektrolizera pozwala na szybsze wyprodukowanie określonej ilości wodoru, czyli im większa będzie siła wiatru i większa wartość natężenie promieniowania słonecznego, tym większa ilość energii zostanie zmagazynowana na okres doliny nocnej. W przypadku nieodpowiednich warunków pogodowych, może się zdarzyć, że nadwyżka zmagazynowanej energii w stosunku do odbiorcy będzie stosunkowo mała. Wtedy układ lokalny wspiera system elektroenergetyczny, który dostarcza potrzebną energię do odbiorcy. Podsumowanie Systemy magazynowania energii elektrycznej mają zasadnicze znaczenie dla dalszego rozwoju szeregu sektora energetycznego. Działające na wielką skalę, niezawodne i trwałe technologie magazynowania energii elektrycznej przyczynią się do szerszego wykorzystywania i zwiększenia atrakcyjności odnawialnych źródeł energii, w tym szczególnie tych, które charakteryzują się niestabilną pracą. Poza tym w stanach awaryjnych odpowiednio dobrane zasobniki mogą pełnić rolę źródeł interwencyjnych w odpowiednio długim czasie. 4958

7 Streszczenie W artykule przedstawiono perspektywy współpracy źródeł odnawialnych tj., elektrowni wiatrowych i słonecznych z magazynem energii elektrolizer ogniwo paliwowe. Przedstawiono wyniki pomiarów zrealizowane na modelu fizycznym omawianego układu. W referacie scharakteryzowano możliwości magazynowania energii w systemie elektroenergetycznym opartym na źródłach rozproszonych. Zwrócono uwagę na cechy szczególne pracy źródeł wytwórczych w systemie elektroenergetycznym pod względem produkowanego towaru, jakim jest energia elektryczna. Słowa kluczowe: źródła rozproszone, energia elektryczna, magazynowanie energii POSSIBILITIES AND PERSPECTIVES OF ENERGY STORAGE IN DISTRIBUTED GENERA- TION Abstract In the paper there are presented prospects of colaboration of renewable energy sources such as wind power plant, and solar power plant with electrolyzer fuel cell as energy storage. There are presented results of measurement of physical model of this system. There were discussed the possibilities of energy storage in electric power system based on dissipated sources. It was paid attention to particular features of the work of generation sources in electric power system as regard produced electric energy. Keywords: distributed generations, energy storage, fuel cells, electrolyzer Literatura [1] Electrical Energy Storage White Paper, International Electrotechnical Commission (IEC), Geneva [2] Fuchs G., Lunz B., Leuthold M., Sauer D.U.: Technology Overview on Electricity Storage, Smart Energy For Europe Platform GmbH (SEFEP), Berlin, [3] Gładyś H., Matla R.: Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym, WNT Warszawa, [4] Kwiatkowski M.: Wykorzystywanie technologii magazynowania energii w postaci sprężonego powietrza w ramach integracji farm wiatrowych z systemem elektroenergetycznym, Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energii Polskiej Akademii Nauk, nr 78, rok [5] Paska J., Kłos M., Antos P., Błajszczak G.: A concept of an electricity storage system with 50 MWh storage capacity, Acta Energetica 2/11 (2012), pp [6] Paska J., Kłos M.: Techniczne i ekonomiczne aspekty magazynowania energii dla poprawy efektywności wykorzystania OZE na przykładzie elektrowni wiatrowych. XIV Międzynarodowa Konferencja Naukowa Aktualne Problemy w Elektroenergetyce, Gdańsk - Jurata, 3-5 czerwca 2009, Tom, IV, s [7] Paska J.: Wytwarzanie rozproszone energii i ciepła, WPW, Warszawa, [8] Poullikkas A.: A comparative overview of large-scale battery systems for electricity storage, Renewable and Sustainable Energy Reviews, no. 27, 2013, pp [9] Simbolotti G., Kempener R.: Electricity Storage, Technology Brief, International Renewable Energy Agency and Energy Technology Systems Analysis Programme,

8 [10] Szczerbowski R., Ceran B.: Możliwości rozwoju i problemy techniczne małej generacji rozproszonej opartej na odnawialnych źródłach energii, Polityka Energetyczna, Tom 16, Zeszyt 3, Zakopane [11] Szczerbowski R., Generacja rozproszona oraz sieci Smart Grid wirtualne elektrownie. Polityka Energetyczna tom 14, z. 2. Wyd. Instytutu GSMiE PAN, Kraków, 2011, s