Przegląd technologii magazynowania energii elektrycznej. Mariusz Kłos

Transkrypt

1 Przegląd technologii magazynowania energii elektrycznej Mariusz Kłos

2 Magazyn energii elektrycznej - definicja Zasobniki energii elektrycznej są instalacjami elektroenergetycznymi o dwukierunkowym przepływie energii, w skład których wchodzi kilka modułów urządzeń, współpracujących ze sobą, w tym technologie umożliwiające na drodze przemian energetycznych magazynowanie energii elektrycznej. 2

3 Magazyn energii elektrycznej - technologie Z wykorzystaniem przemian elektrochemicznych Technologie umożliwiające magazynowanie energii elektrycznej Z wykorzystaniem przemian mechanicznych Baterie klasyczne Baterie przepływowe Kinetyczne zasobniki energii (Flywheels) Pneumatyczne zasobniki energii - klasyczne (CAES - Diabatic) Kwasowo-ołowiowe Litowo-jonowe Wanadowe Cynkowo-Bromowe Elektrownie szczytowo-pompowe Pneumatyczne zasobniki energii - (Lead-Acid) (Li-Ion) (Vanadium Red-Ox) (Zn-Br) (Pumped-Hydro) adiabatyczne (CAES - Adia-batic) Litowo-polimerowe Litowo-Siarkowe Z wykorzystaniem przemian elektrycznych (Li-Polymer) (Li-S) Metalowo-powietrzne Sodowo jonowe Kondensatory Cewki (Metal-Air) (Na-Ion) (Supercapacitors - EDLC) (SMES) Sodowo-niklowo-chlorkowe Sodowo-siarkowe Z wykorzystaniem przemian chemicznych (Na-NiCl 2 ) (Na-S) Niklowo-kadmowe (Ni-Cd) Niklowo-metalowowodorkowe (Ni-MH) Wodorowe - możliwość późniejszej metanizacji celem produkcji syntetycznego paliwa gazowego (Hydrogen to Synthetic Natural Gas - Methanation) 3

4 Baterie przepływowe Zakres mocy pojedyncze MW, Energia (pojemność) pojedyncze MWh, Czas rozładowania - pojedyncze godziny, Czas eksploatacji cykli (10-20 lat), Czas odpowiedzi - milisekundy Sprawność - < 75% Gęstość energii i mocy ok. 25 Wh/litr Koszty jednostkowe 400 /kwh; /kw 4

5 Baterie kwasowo-ołowiowe Zakres mocy pojedyncze MW, Energia (pojemność) < 10 MWh, Czas rozładowania - < 20 godziny, Czas eksploatacji cykli (15 lat), Czas odpowiedzi - milisekundy Sprawność % Gęstość energii i mocy ok. 35 Wh/kg Koszty jednostkowe 200 /kwh; /kw 5

6 Baterie litowo-jonowe Zakres mocy MW, Energia (pojemność) < 10 MWh, Czas rozładowania - < 4 godziny, Czas eksploatacji - <10000 cykli (20 lat), Czas odpowiedzi - milisekundy Sprawność - < 98% Gęstość energii i mocy Wh/kg Koszty jednostkowe 1300 /kwh; 1000 /kw 6

7 Baterie sodowo-siarkowe ( ⁰C) Zakres mocy < 50 MW, Energia (pojemność) < 350 MWh, Czas rozładowania - < 7 godziny, Czas eksploatacji - <5000 cykli (15 lat), Czas odpowiedzi - milisekundy (ze stanu nagrzanego) Sprawność - < 85% Gęstość energii i mocy 120 Wh/kg Koszty jednostkowe /kwh; /kw 7

8 Baterie niklowo kadmowe Zakres mocy 50 MW, Energia (pojemność) < 10 MWh, Czas rozładowania - pojedyncze godziny, Czas eksploatacji - < 5000 cykli (20 lat), Czas odpowiedzi - milisekundy Sprawność - < 70% Gęstość energii i mocy 70 Wh/kg Koszty jednostkowe /kwh; 1500 /kw 8

9 Przykładowe aplikacje z wykorzystaniem technologii bateryjnych Nazwa, lokalizacja Technologia Moc, MW Energia, MWh Konfiguracja baterii Southern California Edison, Chino, Kalifornia, USA akumulatory kwasowo-ołowiowe Ah, 8 równoległych łańcuchów po 1032 ogniwa Golden Valley Electric Association (GVEA), Fairbanks, Alaska, USA akumulatory niklowo-kadmowe 40 6, ogniw, 4 łańcuchy po 3440 ogniw Metlakatla Power and Light (MP&L), Alaska, USA akumulatory kwasowo-ołowiowe VRLA 1 1, ogniwa, 100 modułów A75 w łańcuchu Pacificorp Castle Valley, Utah, USA baterie wanadowe 0, modułów po 50 kw AEP Sodium Sulfur Distributed Energy Storage System at Chemical Station, Charleston, West Virginia, USA Long Island, New York Bus Terminal Energy Storage System, NY, USA Brockway Standard Lithography Plant, Homerville, Georgia, USA akumulatory sodowo-siarkowe 1 7,2 20 modułów po 50 kw akumulatory sodowo-siarkowe 1,2 6,5 20 modułów po 60 kw akumulatory kwasowo-ołowiowe 2 0, ogniw, 8 modułów po 250 kw Puerto Rico Electric Power Authority (PREPA) Battery System, Sabana Llana, Puerto Rico akumulatory kwasowo-ołowiowe Ah, 6 równ. łańcuchów po 1000 ogniw Futamata, Prefektura Aomori, Japonia akumulatory sodowo-siarkowe stringów x 2 MW Sumitomo Densetsu Office, Osaka, Japonia baterie wanadowe 3 0,8 60 modułów po 50 kw Berliner Kraft- und Light (BEWAG), Berlin, Niemcy akumulatory kwasowo-ołowiowe 17 (8,5)* Ah, 12 łańcuchów po 590 ogniw PJM Interconnection, USA Zasobnik kinetyczny 20 0,1 200 kół zamachowych pracujących równolegle Wisconsin Public Service Co., USA SMES 0,8 - - * - 8,5 MW w trybie 60 regulacji częstotliwości, 17 MW w trybie rezerwy 9

10 Elektrownie wodne pompowe Zakres mocy <3 GW, Energia (pojemność) 100 GWh, Czas rozładowania - dziesiątki godzin, Czas eksploatacji - nieograniczony (>80 lat) Czas odpowiedzi - minuty Sprawność - 85% Koszty jednostkowe 150 /kwh; 1500 /kw 10

11 Zakres mocy CAES adiabatyczny (gospodarka ciepłem w układzie) 100 MW, Energia (pojemność) 0,1-10 GWh, Czas rozładowania - dziesiątki godziny, Czas eksploatacji - >30 lat Czas odpowiedzi - minuty Sprawność - > 70% Koszty jednostkowe /kw 11

12 CAES klasyczny Zakres mocy >100 MW, Energia (pojemność) 0,1-10 GWh, Czas rozładowania - dziesiątki godziny, Czas eksploatacji - >30 lat Czas odpowiedzi - minuty Sprawność 50-70% Koszty jednostkowe 150 /kwh; 1200 /kw 12

13 Technologia wykorzystująca ciekłe powietrze (gospodarka ciepłem w układzie) Zakres mocy 650 MW, Energia (pojemność) 0,1-8 GWh, Czas rozładowania - 24 godziny, Czas eksploatacji - >30000 cykli (40 lat) Czas odpowiedzi - > 5 minut Sprawność >90% Gęstość energii - <230 kwh/m3 Koszty jednostkowe 600 /kwh; 3500 /kw 13

14 Kondensatory dwuwarstwowe EDLC (Electrochemical Double Layer Capacitor) Zastosowanie do budowy elektrod nanorurek węglowych umożliwiło znaczne zwiększenie ich powierzchni czynnej i osiągnięcie bardzo dużych pojemności, przekraczających 1000 F. Zakres mocy pojedyncze MW, Energia (pojemność) pojedyncze kwh, Czas rozładowania - pojedyncze min, Czas eksploatacji cykli, Czas odpowiedzi - 5 ms Sprawność - < 90% Gęstość energii i mocy ok. 7 Wh/kg; ok. 8 kw/kg Koszty jednostkowe 500 /kw 14

15 Technologie wodorowe Magazynowanie energii odbywa się przy wykorzystaniu procesu elektrolizy wody do produkcji i późniejszego przechowywania wodoru w postaci gazowej lub płynnej (-253⁰C). Zakres mocy do 1 GW, Energia (pojemność) pojedyncze GWh, Czas rozładowania - tygodnie, Czas eksploatacji lat, Czas odpowiedzi - min Sprawność - < 40% Gestość energii ok kwh/m3 Koszty jednostkowe 10 /kwh; ok 5000 /kw 15

16 Magazyn energii elektrycznej moc zainstalowana na świecie Elektrownie wodne pompowe MW, Pneumatyczne zasobniki energii (elektrownie CAES) 440 MW, Akumulatory (baterie) sodowo-siarkowe 304 MW, Akumulatory kwasowo-ołowiowe 70 MW, Akumulatory niklowo-kadmowe 27 MW, Kinetyczne zasobniki energii - 25 MW, Akumulatory (baterie) litowo-jonowe 100 MW, Baterie przepływowe - 10 MW. 16

17 Magazyn energii elektrycznej cel stosowania w systemie elektroenergetycznym Usprawnienie pracy systemu elektroenergetycznego. Główne obszary zastosowań można zestawić w cztery niezależne grupy: Wsparcie dla odnawialnych źródeł energii, Wsparcie dla odbiorcy końcowego, Wsparcie dla podsektora wytwórczego, Wsparcie dla podsektora związanego z przesyłem i dystrybucją energii elektrycznej. 17

18 Podsumowanie Z technicznego punktu widzenia zastosowanie magazynów energii elektrycznej zawsze prowadzi do usprawnienia funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Dokładne przypisanie obszarów aplikacyjnych do poszczególnych technologii umożliwi osiągnięcie celów ekonomicznych. Efektywność ekonomiczna jest tu jedynym kryterium stosowalności tych technologii. 18

19 Źródła Paska J., Kłos M.: Techniczne i ekonomiczne aspekty magazynowania energii dla poprawy efektywności wykorzystania OZE na przykładzie elektrowni wiatrowych. Mat. Konf. Aktualne problemy w elektroenergetyce - APE Jurata, czerwiec Paska J., Kłos M., Michalski Ł., Rosłaniec Ł.: Możliwości budowy w warunkach polskich magazynów energii przyłączonych do sieci elektrycznych o pojemności powyżej 50 MWh i czasie przechowywania powyżej 5 godzin. Praca dla PSE Operator SA. Instytut Elektroenergetyki PW. Warszawa, grudzień Energy Storage Technology Roadmap - Technology Annex. International Energy Agency. March European Association for Storage of Energy. 19

20 Dziękuję za uwagę 20