Układy hybrydowe integracja różnych technologii

Transkrypt

1 Układy hybrydowe integracja różnych technologii wytwarzania energii elektrycznej Prof. Józef Paska Dr Mariusz Kłos Łukasz Michalski Łukasz Molik P o l i t e c h n i k a W a r s z a w s k a, Z a k ł a d E l e k t r o w n i i Gospodarki Elektroenergetycznej Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia 1. Definicja hybrydowego systemu wytwórczego Wykorzystanie odnawialnych zasobów energii oznacza głównie przetwarzanie energii Słońca, wiatru i przepływającej wody na energię elektryczną [5]. Podstawową wadą takich źródeł jest silna zależność ilości wytwarzanej energii od aktualnych warunków pogodowych, w wyniku czego prognozowanie produkcji energii jest bardzo kłopotliwe. Chcąc zwiększyć możliwości wykorzystania tych źródeł zaczęto stosować hybrydowe systemy (układy) wytwórcze (HSW), będące kombinacją kilku technologii uzyskiwania energii elektrycznej, np.: panelu fotowoltaicznego i generatora z silnikiem spalinowym. Są to zatem [2, 4, 6, 10] małe zespoły współpracujących jednostek wytwórczych energii elektrycznej i ciepła, o zróżnicowanych nośnikach energii pierwotnej (odnawialne i nieodnawialne) i/lub zawierające układ(y) do magazynowania energii, przy czym sterowanie i koordynacja ich współpracy odbywa się przy wykorzystaniu zaawansowanych układów energoelektronicznych. Pojęcie układu hybrydowego wprowadzono także w rozporządzeniu Ministra Gospodarki z 14 sierpnia 2008 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii [11]: układ hybrydowy jednostka wytwórcza wytwarzająca energię elektryczną albo energię elektryczną i ciepło, w której w procesie wytwarzania energii elektrycznej lub ciepła wykorzystywane są nośniki energii wytwarzane oddzielnie w odnawialnych źródłach energii i w źródłach energii innych niż odnawialne, pracujące na wspólny kolektor oraz zużywane wspólnie w tej jednostce wytwórczej do wytworzenia energii elektrycznej lub ciepła. Definicja ta jest niespójna z określeniem odnawialnego źródła energii z ustawy Prawo energetyczne: odnawialne źródło energii źródło wykorzystujące w procesie przetwarzania energię wiatru, promieniowania słonecznego, geotermalną, fal, prądów i pływów morskich, spadku rzek oraz energię pozyskiwaną z biomasy, biogazu wysypiskowego, a także bioga- 46

2 zu powstałego w procesach odprowadzania lub oczyszczania ścieków albo rozkładu składowanych szczątków roślinnych i zwierzęcych. 2. Rodzaje hybrydowych systemów wytwórczych W systemach hybrydowych są stosowane głównie spalinowe zespoły prądotwórcze (np.: z silnikami Diesla), małe elektrownie wiatrowe oraz baterie słoneczne; mogą one pracować w kombinacjach podwójnych (po dwa) lub być wykorzystywane jednocześnie. Ogólnie można stwierdzić, że w systemach hybrydowych są lub będą również stosowane elektrownie zasilane biomasą jako paliwem, w szczególności małe jednostki modularne (do 5 MW), małe elektrownie wodne i ogniwa paliwowe, łącznie z bateriami słonecznymi i turbozespołami wiatrowymi. Hybrydowy system wytwórczy z dwoma rodzajami zastosowanych technologii jest nazywany podwójnym (ang. bivalent), a system z wieloma źródłami wielorakim (ang. multivalent). W skład typowego systemu hybrydowego, wykorzystującego wyłącznie zasoby odnawialne, wchodzą źródła korzystające z energii słonecznej, wiatru i wody. Zasadę działania takiego układu pokazano na rys. 2. Nośnikiem energii elektrycznej, wytwarzanej z energii wody lub wiatru, jest prąd przemienny (AC), który może być przekształcony na prąd stały w celu ładowania akumulatorów. Akumulatory są chronione przed rozładowaniem oraz przeładowaniem przez system kontrolujący. Do zmiany niskiego napięcia stałego na napięcie przemienne 110 V lub 220 V, w zależności od standardu używanego w danym rejonie, są stosowane przekształtniki. Systemy te są zwykle stosowane w rejonach odległych lub w przypadkach, gdy napotyka się trudności w transporcie paliwa do konwencjonalnych jednostek wytwórczych. Jednostki hybrydowe, zasilające na przykład przekaźniki telekomunikacyjne, często posiadają obciążenia stałoprądowe. Systemy te należą do najdroższych ze względu na konieczność przewymiarowania odnawialnych źródeł energii i zastosowania układów magazynowania energii. W porównaniu z instalacjami z wyłącznym wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, instalacje z generatorami energii elektrycznej, zasilanymi paliwami kopalnymi, mają szereg ważnych właściwości: pojemność baterii akumulatorów może być zredukowana, zdolność do pracy może osiągnąć 100% przy znacznie mniejszych zdolnościach wytwórczych elementów składowych, zwiększenie kosztów bieżącego utrzymania instalacji oraz paliwa, zwiększenie hałasu oraz innych zanieczyszczeń środowiska, zredukowanie kosztów remontów kapitalnych. Projektanci i producenci rozpatrują rozmaite możliwości połączenia różnych technologii w celu zwiększenia sprawności i uzyskiwania lepszych parametrów hybrydowych układów wytwórczych. Przykładowe systemy hybrydowe zawierają: ogniwa paliwowe SOFC połączone z turbiną gazową lub mikroturbiną, silniki Stirlinga połączone ze słonecznym koncentratorem parabolicznym, turbiny wiatrowe z baterią akumulatorów i generatorami rezerwowymi z silnikami Diesla, silniki ( i inne układy napędowe) połączone z układami magazynującymi energię w masach wirujących. Hybrydowe systemy wytwórcze zawierają dwa lub więcej źródeł po to, by następowało wzajemne kompensowanie zalet i wad tych źródeł. Na rys. 1 przedstawiono te podwójne kombinacje hybrydowe, które są już dostępne komercyjnie, znajdują się na etapie projektowania lub są co najmniej godne rozważenia. Hybrydowe systemy wytwórcze stwarzają także możliwości produkcji ciepła, zarówno w sposób rozdzielony, jak i skojarzony (CHP). Możliwości takie istnieją w przypadku zastosowania w HSW: silników tłokowych (spalinowych lub parowych), silników Stirlinga, małych turbin gazowych i mikroturbin, ogniw paliwowych (średnio- i wysokotemperaturowych), elektrowni słonecznych heliotermicznych, wykorzystania biomasy i biogazu oraz ciepła geotermalnego. nr 4 (6)

3 3. Wykorzystanie zasobników energii w układach hybrydowych Bardzo obiecującą grupą rozproszonych źródeł energii są źródła wykorzystujące odnawialne zasoby energii: słońca i wiatru. Niestety, ze względu na niestabilność tych źródeł w czasie, ich możliwości nie są w pełni wykorzystywane. Rozwiązaniem tego problemu jest współpraca elektrowni słonecznych i wiatrowych z układami, które usprawnią ich pracę. Takimi układami są, które są w stanie zmagazynować nadwyżki generowanej przez elektrownię energii, bądź zasilać odbiorniki wcześniej zmagazynowaną energią w chwili, gdy elektrownia nie jest w stanie pokryć całego zapotrzebowania odbiornika. Tylko w ten sposób można osiągnąć pełną dyspozycyjność elektrowni słonecznych i wiatrowych. Zasobniki energii mogą być również pomocne w przeciwdziałaniu chwilowym skokom lub zapadom napięcia w węzłach SEE oraz jako rezerwa mocy w SEE. Powszechnie znanym urządzeniem umożliwiającym magazynowanie energii elektrycznej jest akumulator. Akumulatory połączone w grupy szeregowo-równoległe, w celu uzyskania odpowiednich parametrów napięciowo-prądowych, tworzą wraz z przetwornicami energoelektronicznymi bateryjne o mocy przekraczającej dziesiątki megawatów (BES Battery Energy Storage) [1]. W energetyce zawodowej od dawna wykorzystuje się zasobniki energii, jakimi są systemowe elektrownie wodne pompowe. Nowe rozwiązania, nierzadko oparte na znanych zjawiskach fizycznych, bardzo szybko ewoluują, stając się technologicznie dojrzałe i są powoli wprowadzane do energetyki zawodowej [1, 3, 12]. Należą do nich: kinetyczne (FES Flywheel Energy Storage), ogniwa paliwowe i paliwo wodorowe, elektrownie szczytowo-pompowe, pneumatyczne (CAES Compressed Air Energy Storage), superkondensatory ( Supercapacitors), nadprzewodzące (SMES Superconducting Magnetic Energy Storage), bateryjne. Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Zbiorcze zestawienie i klasyfikację możliwości magazynowania energii elektrycznej przedstawiono w tab. 1. Zastosowanie wymienionych zasobników energii elektrycznej nie byłoby możliwe bez użycia odpowiednich układów energoelektronicznych. Wszystkie obecnie stosowane technologie umożliwiające magazynowanie energii elektrycznej można podzielić na technologie pośredniego (z udziałem konwersji energii elektrycznej na inny rodzaj energii, np.: kinetyczną, chemiczną) i bezpośredniego magazynowania energii elektrycznej (w polu elektrycznym lub magnetycznym). Na rys. 3 przedstawiono podział technologii umożliwiających magazynowanie energii [1]. W tab. 2 przedstawiono najistotniejsze zalety i wady technologii umożliwiających magazynowanie energii elektrycznej. W tab. 3 dokonano zestawienia podsumowującego obecne technologie umożliwiające magazynowanie energii elektrycznej pod kątem ich właściwości technicznych i obszarów zastosowania w elektroenergetyce. 4. Przykłady rozwiązań układów hybrydowych W tym rozdziale przedstawiono problemy dotyczące układów hybrydowych związane z wykorzystaniem konwersji fotowoltaicznej i elektrowni wiatrowych, w oparciu o prace zrealizowane w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej. Elektrownia słoneczna z baterią akumulatorów Jedną z pierwszych idei było połączenie baterii słonecznej z baterią akumulatorów. Na rys. 4 przedstawiono schemat blokowy takiej elektrowni, zasilającej wydzielony odbiornik stałoprądowy. W układzie bateria akumulatorów pracuje jako zasobnik energii, umożliwiając zasilanie odbiornika w okresach niedostatecznej wydajności energetycznej baterii słonecznej (niskie nasłonecznienie, godziny nocne). Zaletą tego rozwiązania jest prosta budowa i proste sterowanie. Wadą układu jest to, że bateria słoneczna, nawet wraz z baterią akumulatorów, nie jest w stanie zasilić odbiornika w ciągu całej doby, gdyż ilość energii produkowanej w tym układzie jest silnie zależna od warunków nasłonecznienia i pory roku. Układ jest w stanie magazynować i oddawać energię elektryczną tylko 48

4 Rys. 1. Przegląd kombinacji układów hybrydowych

5 Rys. 2. Schemat blokowy typowego systemu hybrydowego z wyłącznym wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii Technologie ZE Bezpośrednie magazynowanie energii elektrycznej Pośrednie magazynowanie energiielektrycznej W polu magnetycznym: Nadprzewodzące W polu elektrycznym: Superkondensatory Konwersja odwracalna na energię chemiczną: Bateryjne akumulatorów (różne technologie) Ogniwa paliwowe (różne technologie) Konwersja odwracalna na energię mechaniczną: Elektrownie pompowe Pneumatyczne Kinetyczne zasobnbiki energii Rys. 3. Podział technologii umożliwiających magazynowanie energii elektrycznej Rys. 4. Schemat blokowy elektrowni słonecznej z baterią akumulatorów Zasobniki mechaniczne Zasobniki elektrochemiczne Zasobniki elektryczne * elektrownie wodne pompowe * zbiorniki sprężonego powietrza * koła zamachowe (masy wirujące) * baterie akumulatorów z magazynowaniem wewnętrznym (np. Pb, Ni-Cd, Li-Ion) * akumulatory z magazynowaniem zewnętrznym: magazynowanie gazu (elektrolizer, ogniwo paliwowe) magazynowanie w ciekłych elektrodach (np. wanadowych) ogniwa galwaniczne z regeneracją zewnętrzną (np. cynk-powietrze) * magnesy nadprzewodzące * kondensatory (różne technologie) Tab. 1. Możliwości magazynowania energii elektrycznej

6 Technologie Zalety Wady Potencjalne drogi usprawnienia ołowiowe (kwasowoołowiowe) dojrzała technologia, ogólnie dostępna; stosunkowo długi okres eksploatacji wymaga obsługi i nadzoru technicznego, mała gęstość mocy, mała gęstość energii, kosztowny recykling, wpływ temperatury na pojemność baterii, wysokie napięcie głębokiego rozładowania obniżenie napięcia głębokiego rozładowania, zwiększenie odporności na gradienty temperatury, procedury bezpiecznej eksploatacji w niektórych obiektach sodowo-siarkowe (Na-S) dojrzała technologia; duża gęstość mocy, duża gęstość energii, duża sprawność droga technologia; wysoka temperatura pracy obniżenie kosztów wanadowe (VRB) duża gęstość mocy, duża gęstość energii, przeznaczenie do dużych aplikacji technologia na etapie rozwoju, droga technologia, trudna standaryzacja obniżenie kosztów, usprawnienie procesów standaryzacji Akumulatory cynkowo-bromowe (Zn-Br) litowo-jonowe (Liion) duża gęstość mocy, duża gęstość energii, przeznaczenie do dużych aplikacji duża gęstość mocy, duża gęstość energii, duża sprawność technologia na etapie rozwoju, duże koszty utrzymania w ruchu, zawiera materiały łatwo korodujące i toksyczne technologia na etapie rozwoju, droga technologia, trudna w eksploatacji obniżenie kosztów, usprawnienie procesów kontroli (nadzór), poprawa procedur bezpiecznej eksploatacji obniżenie kosztów, usprawnienie procesów kontroli (nadzór), zwiększenie odporności na gradienty temperatury niklowo-kadmowe (Ni-Cd) dojrzała technologia, duża odporność mechaniczna, duża gęstość energii, długi okres eksploatacji droga technologia, zawiera materiały toksyczne obniżenie kosztów, usprawnienie procesów recyklingu niklowo-metalowo- -wodorkowe (Ni-M-H) dojrzała technologia, duża odporność mechaniczna, duża gęstość energii, długi okres eksploatacji, mniejsza liczba związków toksycznych w porównaniu z bateriami Ni-Cd droga technologia obniżenie kosztów, usprawnienie procesów recyklingu Nadprzewodzące duża gęstość mocy mała gęstość energii, znaczne potrzeby własne; droga technologia obniżenie kosztów, wzrost gęstości energii, zwiększenie szybkości procesu ładowania Superkondensatory duża gęstość mocy, długi okres eksploatacji, szybkie procesy ładowania mała gęstość energii, wymaga zaawansowanej energoelektroniki; droga technologia obniżenie kosztów, wzrost gęstości energii. Pneumatyczne dojrzała technologia; duża gęstość energii, duża gęstość mocy ograniczenia geograficzne i geologicznej co do budowy instalacji, dostępność paliw, duże koszty inwestycyjne, długi okres budowy; dedykowana do dużych instalacji zastosowanie procesów adiabatycznych, dzięki czemu możliwe będzie całkowite wyeliminowanie zużycia paliwa Ogniwa paliwowe stosunkowo duża sprawność, możliwość generacji w skojarzeniu (ogniwa wysokotemperaturowe) droga technologia (drogie katalizatory), trudne w produkcji paliwo (wodór), materiały wrażliwe na zanieczyszczenie związkami siarki, nieprzeciążalność prądowa obniżenie kosztów Elektrownie pompowe dojrzała technologia; duża gęstość energii, duża gęstość mocy ograniczenia geograficzne i geologicznej co do budowy instalacji, duże koszty inwestycyjne, długi okres budowy; przeznaczona do dużych instalacji poprawa sprawności hydrozespołów wodnych Kinetyczne zasobniki energii duża gęstość mocy, długi okres eksploatacji, szybkie procesy ładowania mała gęstość energii, znaczne straty własne przy pracy w gorącej rezerwie obniżenie kosztów, zwiększenie gęstości energii Tab. 2. Zalety i wady technologii umożliwiających magazynowanie energii elektrycznej [1, 3]

7 Wyszczególnienie Nadprzewodzące Superkondensatory Bateryjne różne technologie Ogniwa paliwowe różne technologie Elektrownie pompowe Pneumatyczne Kinetyczne Moc nominalna MW 0,01 1 MW 0, MW 0, MW 0,1 1 GW 0,1 400 MW 0,01 2 MW Czas rozładowania przy mocy nominalnej sek. min. sek. min. min. doba min. godz. godz. dni godz. dni sek. godz. Sprawność [%] (ładowanie/rozładowanie) Gęstość energii [W h/kg] ,5 12 zależne od użytej technologii baterii akumulatorów Ok Czas eksploatacji 30 lat cykli 5 8 lat lat lat lat 20 lat Stopień zaawansowania technologii prototypy (na etapie badań) prototypy (na etapie badań) technologia dojrzała; w przypadku większości technologii bateryjnych produkcja seryjna technologia dojrzała; w przypadku większości technologii bateryjnych produkcja seryjna technologia dojrzała od dawna stosowana w sektorze elektroenergetycznym technologia dojrzała od dawna stosowana w sektorze elektroenergetycznym technologia dojrzała produkcja seryjna Wsparcie rozwoju technologii silne bardzo silne bardzo silne bardzo silne średnie (technologia opanowana) silne bardzo silne Obszary zastosowania OZE nie tak tak tak tak tak tak OF tak tak tak tak (UPS) nie nie tak GiRS nie nie tak tak tak tak nie PiD tak nie tak tak nie nie nie GiRS generacja i rezerwa systemowa, OF użytkownicy końcowi, OZE wsparcie dla OZE, PiD wsparcie dla przesyłu i dystrybucji, UPS- układy bezprzewodowego zasilania (ang. uninterruptible power systems). Tab. 3. Zestawienie właściwości obecnych technologii umożliwiających magazynowanie energii elektrycznej [1, 3, 12]

8 w krótkich okresach. Nadaje się do zasilania takich odbiorników, gdzie ciągłość zasilania nie jest sprawą priorytetową. Obecnie w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej jest realizowany projekt dotyczący opracowania układu, który ma umożliwić współpracę ogniw fotowoltaicznych z zasobnikiem energii w celu stabilizacji mocy oddawanej do systemu elektroenergetycznego na poziomie sieci rozdzielczej niskiego napięcia. Projekt układu zakłada między innymi budowę toru komunikacyjnego, za pomocą którego będzie możliwe zadawanie mocy oddawanej przez układ do Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE). Zadawanie mocy wyjściowej urządzenia zakłada także obciążanie KSE w celu zmagazynowania energii w zasobniku, a następnie oddania jej w szczycie obciążenia SEE. Oznacza to pracę jako rozproszony zasobnik dla systemu elektroenergetycznego. Działanie takie może zwiększyć opłacalność instalowania układów wykorzystujących źródła odnawialne i. W ramach projektu zostanie przebadana możliwość pracy projektowanego układu w kilku trybach: rezerwowania mocy czynnej, pracy jako rezerwowe źródło zasilania dla grupy odbiorników (praca na wyspę ), a także jako kompensatora mocy biernej (w trakcie oddawania mocy czynnej) dla systemu elektroenergetycznego. Tak duża funkcjonalność małych rozproszonych układów wytwórczych jest bardzo pożądana w KSE. Tego typu układy pozytywnie wpływając na stabilność napięciową i częstotliwościową systemu elektroenergetycznego poprawiają niezawodność dostaw energii. Projekt jest finansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego ze środków na naukę w latach Elektrownia słoneczna z turbozespołem wiatrowym Inną ideą było połączenie dwóch źródeł odnawialnych: baterii ogniw słonecznych z turbozespołem wiatrowym. Na rys. 5 przedstawiono schemat blokowy elektrowni słoneczno-wiatrowej, z baterią akumulatorów, zasilającej odbiornik wydzielony stałoprądowy [6, 7], oraz widok rzeczywistej instalacji, zbudowanej w Politechnice Warszawskiej. Elektrownia słoneczna z turbozespołem wiatrowym i generatorem prądu przemiennego z silnikiem Diesla Kolejną możliwością jest połączenie trzech źródeł: baterii słonecznej, turbozespołu wiatrowego i generatora prądu przemiennego napędzanego silnikiem Diesla. Na rys. 6 przedstawiono schemat blokowy takiej elektrowni. Przy niesprzyjających warunkach atmosferycznych (bateria słoneczna i turbozespół wiatrowy nie pracują) odbiornik jest zasilany z agregatu prądotwórczego, w skład którego wchodzą: silnik Diesla i sprzęgnięty z nim generator prądu przemiennego (GD). W celu zapewnienia pełnego wykorzystania elektrowni słonecznej, niezależnie od pory roku i intensywności oświetlenia słonecznego, zaproponowano rozszerzenie elektrowni o dołączenie dwóch dodatkowych źródeł energii. Istotą tego rozwiązania jest maksymalne wykorzystanie źródła słonecznego; turbozespół wiatrowy ze względu na zużywanie się części mechanicznych jest włączany w celu szybkiego doładowania baterii akumulatorów przy braku dostatecznego oświetlenia słonecznego, a generator napędzany silnikiem Diesla jest włączany tylko w przypadku głębokiego rozładowania baterii i wyłączany po pełnym naładowaniu baterii akumulatorów. Wadą układu są duże koszty całej instalacji. Pracę całego systemu kontroluje mikroprocesorowy system sterowania i nadzoru. Sprawność układu zależy od rodzaju użytych przetwornic energoelektronicznych. Elektrownia słoneczna z ogniwem paliwowym Inne rozwiązanie polega na przebudowie hybrydowej elektrowni słoneczno-wiatrowej: zastąpieniu turbozespołu wiatrowego nowym źródłem energii ogniwem paliwowym i dodaniu układu zarządzania źródłami (rys. 7) [8-10]. Elektrownia została zoptymalizowana pod kątem zapewnienia ciągłego zasilania odbiornika, maksymalizacji wykorzystania energii promieniowania słonecznego oraz minimalizacji zużycia paliwa wodoru przez ogniwo paliwowe. Elektrownia składa się z następujących elementów: paneli fotowoltaicznych, ogniwa paliwowego, baterii akumulatorów, systemu automatycznego nadzoru i układu zarządzania źródłami. System automatycznego nadzoru ma za zadanie zbierać informacje o obiekcie i przekazywać je zdalnie do użytkownika. Zastosowanie ogniwa paliwowego pozwala na uniezależnienie zasilania od warunków zewnętrznych, które mają charakter losowy, na które użytkownik nie ma wpływu. Opisana elektrownia słoneczna z ogniwem paliwowym daje gwarancję stałego zasilania odbiornika. Sterowanie źródłami umożliwia optymalne wykorzystanie energii promieniowania słonecznego. nr 4 (6)

9 Elektrownie wiatrowe z zasobnikiem energii Podstawowe wady elektrowni wiatrowych, takie jak: zależność ilości produkowanej energii od prędkości wiatru, mała dyspozycyjność elektrowni wiatrowej zależna od pory dnia i pory roku, natychmiastowe odłączenie od sieci w przypadku przekroczenia dopuszczalnej prędkości wiatru (gwałtowne stany przejściowe) itp., są przyczyną, że elektrownie wiatrowe źle współpracują z sieciami niskiego napięcia. Dołączając do najprostszej wersji elektrowni wiatrowej układ z chemicznym zasobnikiem energii (baterią akumulatorów) można zbudować układ w pełni dyspozycyjnego źródła rozproszonego. Zasobnik energii współpracujący z elektrownią wiatrową pozwoli w pełni wykorzystać energię produkowaną przez elektrownię (nadwyżki energii będą magazynowane w zasobniku). Dyspozycyjność można jeszcze zwiększyć dołączając do układu elektrowni hybrydowej dodatkowe źródła energii. Mogą nimi być generatory z turbinami lub silnikami spalinowymi. Mogą także być zainstalowane układy z ogniwami paliwowymi. Na rys. 8 przedstawiono przykładowy schemat blokowy elektrowni hybrydowej z zasobnikiem, do którego można dołączyć turbozespoły wiatrowe z generatorami asynchronicznymi lub generatorami dwustronnie zasilanymi. W przedstawionej propozycji elektrowni hybrydowej dołączono dodatkowe źródło energii oraz dodatkowy prostownik umożliwiający ładowanie baterii z sieci elektroenergetycznej. Ze względu na ograniczony czas wykorzystywania zasobnika przewidziano opcjonalne włączanie do pracy źródła dodatkowego DZE. Źródło to może być włączone w obwód prądu stałego zasobnika. Może nim być generator z turbiną lub silnikiem spalinowym z niestabilizowaną prędkością obrotową. Może to też być ogniwo paliwowe. Przyłączenie takich źródeł do sieci elektroenergetycznej za pośrednictwem energoelektronicznych układów przetwarzania jest dużo prostsze technicznie i tańsze niż przyłączenie tych źródeł bezpośrednio do sieci prądu przemiennego. Na rys. 9 przedstawiono nową koncepcję farmy wiatrowej, w której do przesyłu energii między poszczególnymi elektrowniami Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia wiatrowymi a centralnym falownikiem, umożliwiającym włączenie całej farmy do sieci elektroenergetycznej, użyto linii prądu stałego. Największą zaletą takiego rozwiązania jest możliwość przyłączania w sposób stosunkowo łatwy dodatkowych źródeł energii. Podsumowanie Obserwując szybki rozwój energetyki rozproszonej można sądzić, że systemy energetyczne będą ewoluowały do postaci, w której drogi przesyłu energii elektrycznej (i/lub ciepła) będą możliwie najkrótsze. Będą eliminowane zbędne przemiany energetyczne oraz zagospodarowywane wszelkie dostępne formy i nośniki energii (np. zasoby odnawialne i rozproszone, energia odpadowa itp.). Sposobem na efektywne wykorzystanie odnawialnych i rozproszonych zasobów energii pierwotnej są hybrydowe systemy (układy) wytwórcze, w których ma miejsce integracja i swego rodzaju synergia różnych technologii wytwarzania energii elektrycznej. Budowa hybrydowych systemów wytwórczych o średniej i małej mocy, wykorzystujących odnawialne i rozproszone zasoby energii pierwotnej, które będą zlokalizowane blisko odbiorców, pozwoli uniknąć części kosztów przesyłu i dystrybucji. Tego typu układy mają niebagatelne znaczenie dla ochrony środowiska, gdyż wiele z tych źródeł nie emituje zanieczyszczeń. Hybrydowe systemy wytwórcze stwarzają także możliwości produkcji ciepła, zarówno w układach wytwarzania rozdzielonego, jak też skojarzonego. Możliwości takie istnieją w przypadku zastosowania w HSW takich technologii jak: silniki tłokowe (spalinowe lub parowe), silniki Stirlinga, małe turbiny gazowe i mikroturbiny, ogniwa paliwowe (średnio- i wysokotemperaturowe), elektrownie słoneczne heliotermiczne, wykorzystanie biomasy i biogazu, wykorzystanie ciepła geotermalnego. 54

10 Rys. 5. Schemat blokowy i widok elektrowni słoneczno-wiatrowej Rys. 6. Schemat blokowy hybrydowej elektrowni słoneczno-wiatrowej z generatorem prądu przemiennego napędzanym silnikiem Diesla

11 Rys.7. Struktura elektrowni słonecznej z ogniwem paliwowym i układu zasilania odbiornika Rys. 8. Schemat blokowy elektrowni wiatrowej z generatorem asynchronicznym, generatorem dwustronnie zasilanym i bateryjnym zasobnikiem energii; ASY generator asynchroniczny, DZE dodatkowe źródło energii, F falownik, MDZ generator dwustronnie zasilany, P prostownik bateryjny, R system sterowania i nadzoru, SEE system elektroenergetyczny, Tr transformator sieciowy, W1, W2 wyłączniki Rys. 9. Uproszczony schemat farmy wiatrowej z linią prądu stałego; DZE dodatkowe źródło energii, F falownik, P prostownik, SEE system elektroenergetyczny, Tr transformator sieciowy, TW 1, TW 2,, TW n turbozespół wiatrowy 1 2 n

12 LITERATURA [1] Hadjipaschalis I., Poullikkas A., Efthimiou V.: Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications. Renewable & Sustainable Energy Reviews, September [2] Hybrid Power Systems Distance Learning Tool. EU project "Development of a Distance Learning Training Structure on the Design and Operation of Hybrid Power Systems HYPOS-DILETR. Contract No EL/03/B/F/FP [3] Mariyappan J., Black M., Strbac G., Hemmi K.: Cost and Technical Opportunities for Electricity Storage Technologies. Report for the European Commission Directorate General of Energy and Transport. WP3 report final. July [4] Paska J.: Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w systemach hybrydowych. Rynek Energii, 2007, nr 5. [5] Paska J.: Distributed Generation and Renewable Energy Sources in Poland. 9th International Conference on Electrical Power Quality and Utilization - EPQU 2007 (under auspices of IEEE) Barcelona Spain, 9-11 October [6] Paska J., Biczel P.: Hybrydowa elektrownia słoneczna z ogniwem paliwowym jako przykład optymalnego wykorzystania w energetyce rozproszonej pierwotnych nośników energii. Elektroenergetyka Technika, Ekonomia, Organizacja, 2003, nr 4. [7] Paska J., Biczel P.: Hybrid Photovoltaic Fuel Cell Power Plant. IEEE St. Petersburg PowerTech St. Petersburg, Russia, June 27 30, [8] Paska J., Biczel P.: Experience with Hybrid Power Generating Systems. 8th International Conference Electrical Power Quality and Utilization EPQU 05 (under auspices of IEEE, KE PAN, SEP) Cracow Poland, September 21-23, [9] Paska J., Kłos M.: Hybrydowe systemy wytwórcze energii elektrycznej. XII Międzynarodowa Konferencja Naukowa Aktualne problemy w elektroenergetyce APE 05. Gdańsk-Jurata, 8-10 czerwca [10] Paska J., Biczel P., Kłos M.: Hybrid power systems An effective way of utilising primary energy sources. Renewable Energy. Vol. 34, No 11, Nov [11] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii. Dz. U. Nr 156, poz [12] Walawalkar R., Apt J.: Market Analysis of Emerging Electric Energy Storage Systems Final Report. DOE/NETL-2008/1330, July 31, Prof. dr hab. inż. Józef Paska, kierownik Zakładu Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej (ZEiGE), Instytut Elektroenergetyki, Wydział Elektryczny, Politechnika Warszawska. Absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Warszawskiej. Zainteresowania naukowe dotyczą niezawodności systemu elektroenergetycznego i bezpieczeństwa zasilania w energię elektryczną, technologii wytwarzania energii elektrycznej, w tym wytwarzania rozproszonego i wykorzystania odnawialnych zasobów energii, gospodarki elektroenergetycznej oraz ekonomiki elektroenergetyki. Autor ponad 220 artykułów i referatów oraz 9 monografii i podręczników akademickich. Należy do Polskiego Towarzystwa Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej, Polskiego Towarzystwa Nukleonicznego, World Scientific and Engineering Academy and Society oraz do International Council on Large Electric Systems (CIGRE). Jozef.Paska@ien.pw.edu.pl Jozef.Paska@ien.pw.edu.pl Dr inż. Mariusz Kłos, adiunkt w ZEiGE; ukończył Wydział Elektryczny PW. Obszar zainteresowań: energoelektronika, odnawialne źródła energii, ogniwa paliwowe,, prawo energetyczne. mariusz.klos@ien.pw.edu.pl Mgr inż. Łukasz Michalski, asystent w ZEIGE; ukończył dwa kierunki (Informatykę i Elektrotechnikę) na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej. Obszar zainteresowań: zagadnienia związane z energetyką odnawialną oraz niekonwencjonalnym wytwarzaniem energii, nowinki techniczne oraz systemy informatyczne. michalsl@ee.pw.edu.pl Mgr inż. Łukasz Molik, doktorant w ZEiGE; ukończył dwa kierunki (Informatykę i Elektrotechnikę) na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej. Zainteresowania naukowe dotyczą modelowania i symulacji ze szczególnym uwzględnieniem energetyki odnawialnej i rozproszonej. molikl@ee.pw.edu.pl nr 4 (6)