WYKORZYSTANIE AKUMULATORÓW W SYSTEMACH MAGAZYNOWANIA ENERGII dr inż. Kazimierz Herlender ENERGETAB 2013 Bielsko-Biała 17 wrzesień 2013
PLAN PREZENTACJI 1. Odnawialne Źródła Energii wymagania prawne 2. Lokalny System elektroenergetyczny - LSE 3. Wybrane technologie magazynowania energii elektrycznej 4. Funkcje zasobników energii w systemie el-en 5. Dobór optymalnego bateryjnego zasobnika energii 6. Podsumowanie
- Polityka Energetyczna Polski do 2030 - Dyrektywa 2009/28/WE z 23 kwietnia 2009
Polityka Energetyczna Polski do 2030 w zakresie rozwoju wykorzystania OZE zakłada m.in.: wzrost udziału OZE w finalnym zużyciu energii co najmniej do 15 % w 2020 roku oraz dalszy wzrost tego wskaźnika w następnych latach, osiągnięcie w 2020 roku 10 % udziału biopaliw w rynku paliw transportowych oraz zwiększenie wykorzystania biopaliw II generacji, ochronę lasów przed nadmierną eksploatacja w celu pozyskiwania biomasy oraz zrównoważone wykorzystanie obszarów rolniczych na cele OZE, tak aby nie doprowadzić do konkurencji pomiędzy rolnictwem a energetyką odnawialną, zwiększenie stopnia dywersyfikacji źródeł dostaw oraz stworzenie optymalnych warunków do rozwoju energetyki rozproszonej opartej na lokalnych dostępnych surowcach Kierunki rozwoju polskiej energetyki w zakresie OZE zawarte w Polityce Energetycznej Polski do 2030 wpisują się w przyjętą Dyrektywę 2009/28/WE z 23 kwietnia 2009.
Paliwo / technologia 2006 2010 2015 2020 2025 2030 Polityka Energetyczna Polski do 2030 Tabela 14. Moce wytwórcze energii elektrycznej brutto [MW] W. Brunatny - PC/Fluidalne 8819 9177 9024 8184 10344 10884 W. Kamienny - PC/Fluidalne 15878 15796 15673 15012 11360 10703 W. Kamienny - CHP 4845 4950 5394 5658 5835 5807 Gaz ziemny - CHP 704 710 810 873 964 1090 Gaz ziemny - GTCC 0 0 400 600 1010 2240 Duże wodne 853 853 853 853 853 853 Wodne pompowe 1406 1406 1406 1406 1406 1406 Jądrowe 0 0 0 1600 3200 4800 Przemysłowe Węgiel - CHP 1516 1411 1416 1447 1514 1555 Przemysłowe Gaz - CHP 51 50 63 79 85 92 Przemysłowe Inne - CHP 671 730 834 882 896 910 Lokalne Gaz 0 0 22 72 167 278 Małe wodne 69 107 192 282 298 298 Wiatrowe 173 976 3396 6089 7564 7867 Biomasa stała - CHP 25 40 196 623 958 1218 Biogaz CHP 33 74 328 802 1293 1379 Fotowoltaika 0 0 0 2 16 32 RAZEM 35043 36280 40007 44464 47763 51412
Lokalny System Energetyczny Lokalny System Energetyczny (LSE) tzw Smart Grid
Lokalny System Energetyczny LSE (microgrid) to lokalizacja grup wytwarzania energii elektrycznej, przechowywania energii, oraz obciążeń, które normalnie działają w podłączeniu do tradycyjnego centralnego systemu energetycznego (macrogrid). LSE może funkcjonować autonomicznie. Generacja i obciążenia w LSE są zwykle połączone do sieci niskich i średnich napięć. Z punktu widzenia operatora sieci, podłączony LSE może być kontrolowany tak, jak gdyby był to jeden podmiot. Główne cechy tych systemów to zredukowane wymiary jednostek wytwarzania energii elektrycznej, sąsiedztwo generacji i obciążenia i bardzo często wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Badania tych lokalnych systemów zajmują się interakcją i kombinacją generacji mocy oraz zarządzaniem energią.
Lokalny System Energetyczny Jednym z podstawowych elementów LSE powinny być systemy magazynujące energię co w znaczny sposób ułatwi zarządzanie takim systemem. Oczywistym jest, że należy odpowiedzieć na pytania: Jaki sposób magazynowania energii wykorzystać i jak optymalnie go zaprojektować?
Wybrane technologie magazynowania energii elektrycznej Elektrownie szczytowo-pompowe Bateryjne zasobniki energii typu BES (Battery Energy Storage) Koła zamachowe (zasobniki magazynujące energię kinetyczną) Nadprzewodnikowe zasobniki energii (SMES) Kondensatory mocy samochody elektryczne, ogniwa paliwowe, zbiorniki sprężonego gazu
Wybrane technologie magazynowania energii elektrycznej Elektrownie szczytowo pompowe (ESP) są najstarszą, a jednocześnie największą z obecnie dostępnych technik magazynowania energii. Składa się ona z dwóch zbiorników znajdujących się na różnych wysokościach oraz szeregu pomp i turbin Najważniejsze właściwości: Moc nominalna: 0,1 1 GW Sprawność: 80 % Czas rozładowania: godziny dni Elektrownia Wodna w Żarnowcu Źródło: http://www.forum.eksploracja.pl/viewtopic.php?t=2352 (pobrano 29.07.2012)
Wybrane technologie magazynowania energii elektrycznej Baterie akumulatorowe to obecnie najbardziej rozpowszechniona technika magazynowania energii elektrycznej. W energetyce głównie stosuje się baterie kwasowo ołowiowe, niklowo kadmowe oraz sodowo siarkowe. Najważniejsze właściwości: Moc nominalna: 0,001 50 MW Sprawność: 70 90 % Czas rozładowania: minuty doba Czas eksploatacji: 5 8 lat * * - w zależności od ilości cykli BES przy farmie wiatrowej Źródło: http://www.cybersharq.com/a123-scores-battery-deal-forwind-power.html (pobrano 29.07.2012)
Wybrane technologie magazynowania energii elektrycznej Bateryjne zasobniki energii typu BES (Battery Energy Storage)
Wybrane technologie magazynowania energii elektrycznej Kinetyczny zasobnik energii to inaczej magazyn energii wykorzystujący koło zamachowe FES (Flywheel Energy Storage). Zasada działania polega na magazynowaniu energii kinetycznej obracającego się przedmiotu. Składa się centralnego wału, który utrzymuje wirnik i koło zamachowe. Aby zmniejszyć tarcie wał obraca się na łożyskach magnetycznych (straty wynoszą ok. 2 %). Wszystkie komponenty zamknięte są szczelnie w próżni aby zniwelować straty aerodynamiczne. Najważniejsze właściwości: Moc nominalna: 0,02 2 MW Sprawność: 90 % Czas rozładowania: sekundy godz. Budowa kinetycznego zasobnika energii Źródło: http://www.eltrix.com.pl/aktualnosci (pobrano 05.08.2012)
Wybrane technologie magazynowania energii elektrycznej Nadprzewodnikowy zasobnik energii SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) jest urządzeniem, które przechowuje energię w magnetycznym polu wytworzonym przez prąd stały płynący w solenoidzie wykonanym z nadprzewodnika. Prąd w uzwojeniu nadprzewodnikowym chłodzony jest ciekłym helem lub azotem. Dodatkowo cechują się wysoką sprawnością, która wynika z przemiany energii pola magnetycznego na energię elektryczną Najważniejsze właściwości: Moc nominalna: 10 100 MW Sprawność: 90 95 % Czas rozładowania: sekundy min. Czas eksploatacji: 30 lat Nadprzewodnikowy zasobnik energii zainstalowany przy podstacji transformatorowej Źródło: http://www.seai.ie/uploadedfiles/fundedprogrammes/rehc03001fi nalreport.pdf (pobrano 10.08.2012)
Wybrane technologie magazynowania energii elektrycznej Rozkład typowych mocy i możliwości magazynowania energii elektrycznej przy wykorzystaniu niektórych technologii
Wybrane technologie magazynowania energii elektrycznej Coraz częściej mówi się również o takich rozwiązaniach jak: ` wykorzystanie elektrowni biogazowych jako elektrowni rezerwowych dla elektrowni wiatrowych - musiałyby mieć powiększone zbiorniki i większe agregaty w stosunku do standardowych. ładowanie akumulatorów samochodów elektrycznych w okresach wietrznych. produkcja sprężonego powietrza dla potrzeb zakładów przemysłowych i oczyszczalni ścieków. wykorzystywanie energii pochodzącej z elektrowni wiatrowych w energochłonnych procesach przemysłowych, np. galwanizowanie, plazmogazyfikacja
Wybrane technologie magazynowania energii elektrycznej Kolejnym ze sposobów magazynowania jest gromadzenie energii w samochodach elektrycznych (Electric Vehicle). Najważniejsze właściwości: Moc nominalna: 0,1 GW Sprawność: 70 90 % Każdy kierowca uczestnikiem rynku większa świadomość Rysunek 7.14 Architektura i wdrożenie całego systemu Źródło: Materiały do wykładu Mikrosystemy Z. Styczyński (10.09.2011)
Wybrane technologie magazynowania energii elektrycznej Pneumatyczny zasobnik energii CAES (Compressed Air Energy Storage) to sposób magazynowania energii z wykorzystaniem sprzężonego powietrza. Cały system składa się z silnika napędzającego kompresor, który spręża powietrze do podziemnego zbiornika, wysokociśnieniowej oraz niskociśnieniowej turbiny oraz generatora Najważniejsze właściwości: Moc nominalna: 0,1 400 MW Sprawność: 60 70 % Czas rozładowania: godziny dni Pneumatyczny zasobnik energii CAES Źródło: http://climatetechwiki.org/technology/jiqweb-caes (pobrano 29.07.2012)
Wybrane technologie magazynowania energii elektrycznej First commercial CAES power plants
Funkcje zasobników energii Zasilanie awaryjne Gorąca rezerwa i regulatory częstotliwości Zasilanie bezprzerwowe Ograniczenie mocy szczytowej Regulacja napięcia Regulacja współczynnika mocy Współpraca z OZE 380 kv 110 kv 110 kv 10 kv sieć rozdzielcza G zasobnik energii 10 kv 0.4 kv
Dobór optymalnego bateryjnego zasobnika energii Wyznaczanie optymalnych parametrów zasobnika typu BES do wyrównywania szczytów obciążeń w węzłach sieci elektroenergetycznej Wykorzystano model oparty na tzw. rocznej krzywej obciążenia 2000 kw jesieñ zima P 1000 wiosna lato 0 So Nd Dr So Nd Dr So Nd Dr So Nd Dr roczna krzywa obciazenia
Przykład realizacji instalacji fotowoltaicznej BADAWCZY SYSTEM FOTOWOLTAICZNY PWr - Schemat System fotowoltaiczny Monitoring Ethernet Akwizycja próbek System liczników
Przykład realizacji instalacji fotowoltaicznej BADAWCZY SYSTEM FOTOWOLTAICZNY PWr - Monitoring
Przykład realizacji instalacji fotowoltaicznej Moduły Fotowoltaiczne - 1140W Turbina Wiatrowa - 2000W Bank Akumulatorów, żel - 800Ah Wykonawca: ELEKTROTIM S.A. -2011 Opis: system hybrydowy - moduły fotowoltaiczne + generator wiatrowy Zasilanie budynku [230V AC]
Przykład realizacji instalacji fotowoltaicznej Moduły Fotowoltaiczne - 260W Bank Akumulatorów, żel/liquid- 140Ah Wykonawca: PV SYSTEMS 2009, 2010 Opis: zasilanie oświetlenia typu LED [12V DC]
PODSUMOWANIE Zgodnie z wymaganiami stawianymi przez Unię Europejską w najbliższych latach będziemy świadkami wzrostu udziału produkcji energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii. Może się okazać, że nawet kilkuprocentowy udział OZE w produkcji energii elektrycznej spowoduje problemy z bilansowaniem energii w sieciach lokalnych albo nawet w całym systemie elektroenergetycznym. Rozwiązaniem tych problemów może być magazynowanie energii nawet jeżeli na obecną chwilę są to rozwiązania kosztowne.
PODSUMOWANIE Biorąc pod uwagę, że zarówno jakość energii jak i konieczność rozwoju odnawialnych źródeł energii są celami strategicznymi w zrównoważonym rozwoju UE należy szukać rozwiązań, które umożliwią bezpieczną realizację tych celów. Obecnie ze względu na znaczne koszty bateryjnych zasobników energii typu BES wykorzystanie ich jest jeszcze sporadyczne. Wydaje się jednak, że zastosowanie zasobników energii do różnych funkcji w systemie elektroenergetycznym, w tym współpracy z odnawialnymi źródłami energii będzie rosło co powinno w konsekwencji obniżyć ich cenę.
ENERGETAB 2013 Bielsko-Biała 17 wrzesień 2013 dr inż. Kazimierz Herlender kazimierz.herlender@dpin.pl