POLITECHNIKA WARSZAWSKA Instytut Elektroenergetyki Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa tel. (22) 234 73 66, fax. (22) 234 50 73 http://www.ien.pw.edu.pl/eig/ Magazynowanie energii elektrycznej - technologie, zastosowania, koszty prof. dr hab. inż. Józef Paska dr inż. Mariusz Kłos 1
Aspekty prawne zasobników energii ustawa o OZE instalacja odnawialnego źródła energii instalację stanowiącą wyodrębniony zespół: a) urządzeń służących do wytwarzania energii i wyprowadzania mocy, w których energia elektryczna lub ciepło są wytwarzane z odnawialnych źródeł energii, a także magazyn energii elektrycznej przechowujący wytworzoną energię elektryczną, połączony z tym zespołem urządzeń lub b) obiektów budowlanych i urządzeń stanowiących całość techniczno-użytkową służący do wytwarzania biogazu rolniczego, a także połączony z nimi magazyn biogazu rolniczego; magazyn energii wyodrębnione urządzenie lub zespół urządzeń służących do przechowywania energii w dowolnej postaci, nie powodujących emisji będących obciążeniem dla środowiska, w sposób pozwalający co najmniej na jej częściowe odzyskanie; 2
Aspekty prawne zasobników energii ustawa o OZE instalacja odnawialnego źródła energii instalację stanowiącą wyodrębniony zespół: a) urządzeń służących do wytwarzania energii i wyprowadzania mocy, przyłączonych w jednym miejscu przyłączenia, w których energia elektryczna lub ciepło są wytwarzane z jednego rodzaju odnawialnych źródeł energii, a także magazyn energii elektrycznej przechowujący wytworzoną energię elektryczną, połączony z tym zespołem urządzeń lub b) obiektów budowlanych i urządzeń stanowiących całość technicznoużytkową służący do wytwarzania biogazu rolniczego, a także połączony z nimi magazyn biogazu rolniczego; magazyn energii elektrycznej wyodrębnione urządzenie lub zespół urządzeń służących do magazynowania przechowywania energii elektrycznej w innej dowolnej postaci energii powstałej, nie powodujących emisji będących obciążeniem dla środowiska, w wyniku procesów technologicznych lub chemicznych; sposób pozwalający co najmniej na jej częściowe odzyskanie; Tekst skreślony poprzednia wersja ustawy, tekst podkreślony dodany w aktualnej wersji ustawy 3
Aspekty prawne zasobników energii ustawa o OZE hybrydowa instalacja odnawialnego źródła energii - zespół co najmniej dwóch instalacji wyłącznie odnawialnych źródeł energii różniących się charakterystyką dyspozycyjności wytwarzanej energii i tworzących w wyniku połączenia spójny elektroenergetycznie i obszarowo zestaw zapewniający odbiorcy stały dostęp do energii elektrycznej stosownie do wymagań jakościowych określonych w przepisach prawa energetycznego lub w umowie, w szczególności o której mowa w art. 5 ustawy - Prawo energetyczne, zawartej z odbiorcą; taki zespół instalacji może być też wspomagany magazynem energii i wówczas oddawana z niego energia elektryczna jest traktowana jako energia z odnawialnego źródła energii; 4
Magazyn energii elektrycznej - definicja Magazyn (zasobnik) energii elektrycznej - instalacja elektroenergetyczna służąca do przechowywania energii elektrycznej w sposób pozwalający co najmniej na jej częściowe odzyskanie (o dwukierunkowym przepływie energii). W jej skład wchodzi kilka modułów urządzeń, współpracujących ze sobą, w tym wykorzystujących technologie umożliwiające, na drodze przemian energetycznych, magazynowanie energii. 5
Aspekty prawne zasobników energii czego nie ma Brak ram prawnych regulujących warunki budowy, funkcjonowania i współpracy z siecią elektroenergetyczną magazynów energii; Brak ram regulacyjnych dla prowadzenia działalności gospodarczej polegającej na magazynowaniu energii elektrycznej; Transport energii elektrycznej do/z magazynów energii jest obciążany opłatami przesyłowymi lub dystrybucyjnymi; Brak ram prawnych pozwalających na uwzględnianie budowy tego rodzaju instalacji w taryfach przedsiębiorstw sieciowych; Brak uregulowań prawnych pozwalających na kształtowanie przez przedsiębiorstwa sieciowe systemu elektroenergetycznego, np. poprzez wiązanie praw korzystania z systemu z funkcjonowaniem magazynu energii. 6
Magazynowanie energii elektrycznej - technologie SMES Przykłady technologii magazynowania energii: CAES Compressed Air Energy Storage, 7 LAES Liquid Air Energy Storage, SNG Synthetic Natural Gas (Źródło: PwC, 2015)
Magazynowanie energii elektrycznej - technologie Z wykorzystaniem przemian elektrochemicznych Technologie umożliwiające magazynowanie energii elektrycznej Z wykorzystaniem przemian mechanicznych Baterie klasyczne Baterie przepływowe Kinetyczne zasobniki energii (Flywheels) Kwasowo-ołowiowe (Lead-Acid) Litowo-jonowe (Li-Ion) Wanadowe (Vanadium Ox) Red- Cynkowo- Bromowe (Zn- Br) Elektrownie szczytowopompowe (Pumped- Hydro) Pneumatyczne zasobniki energii - klasyczne (CAES - Diabatic) Pneumatyczne zasobniki energii - adiabatyczne (CAES - Adiabatic) Litowo-Siarkowe (Li-S) Sodowo jonowe (Na-Ion) Sodowo-siarkowe (Na-S) Litowo-polimerowe (Li-Polymer) Metalowo-powietrzne (Metal-Air) Sodowo-niklowochlorkowe (Na-NiCl 2 ) Niklowo-kadmowe (Ni-Cd) Niklowometalowowodorkowe (Ni-MH) Z wykorzystaniem przemian elektrycznych Kondensatory (Supercapacitors - EDLC) Cewki nadprzewodzące (SMES) Z wykorzystaniem przemian chemicznych Wodorowe - możliwość późniejszej metanizacji celem produkcji syntetycznego paliwa gazowego (Hydrogen to Synthetic Natural Gas - Methanation) 8
Technologie MEE parametry techniczno-ekonomiczne Technologia Zakres mocy Energia Czas Okres Czas Gęstość Nakłady Sprawność (pojemność) rozładowania eksploatacji odpowiedzi energii jednostkowe - MW MWh godziny Lata (cykle) - % Wh/kg; Wh/l /kw Baterie kwasowoołowiowe pojedyncze 10 >20 15 (3000) milisekundy 75-85 35 Wh/kg 500-1700 Baterie pojedyncze pojedyncze pojedyncze 20 (>12000) milisekundy 70-75 25 Wh/l 1000-3500 przepływowe Baterie litowojonowe 50 10 4 20 (10000) milisekundy >90 180 Wh/kg 800-3700 Baterie litowo- pojedyncze pojedyncze - - milisekundy - 100 Wh/kg - metalowo- polimerowe Baterie sodowosiarkowe 50 350 7 <15 (5000) Milisekundy 85 120 Wh/kg 2900-3900 (300 350 ⁰C) (temperatura nominalna baterii) Baterie niklowokadmowe 40 pojedyncze pojedyncze 20 (5000) milisekundy 70 70 Wh/kg 1500 Baterie niklowo- pojedyncze pojedyncze pojedyncze 15 (5000) milisekundy 70 80 Wh/kg 1500 metalowo- wodorkowe CAES adiabatyczny >100 10000 Kilkadziesiąt >30 minuty 70 n.d. 2000 CAES klasyczny >100 10000 Kilkadziesiąt >30 minuty 55 n.d. 1000 LAES (ciekłe powietrze) Elektrownie wodne pompowe >100 10000 24 40 (30000) >5 min >95 n.d. 1100 3000 3000 100000 kilkadziesiąt >80 sekundy-min 80 n.d. 700-1500 Wodór >100 >1000 dni - tygodnie 30 sekundy-min 40 n.d. 1600-3100 Superkondensatory pojedyncze 0,01 sekundy-min 10 (1000000) milisekundy 90 7 Wh/kg 2100-42009
Wydajność energetyczna przy obecnym stanie zaawansowania technologii MEE Źródło: PwC, 2015 10
Poziom zaawansowania technologicznego Źródło: IEA, 2014 11
Przykładowe aplikacje z wykorzystaniem technologii bateryjnych Nazwa, lokalizacja Technologia Moc, MW Energia, MWh Konfiguracja baterii San Diego Gas & Electric (SDG&E), Escondido, Kalifornia, USA Akumulatory litowo - jonowe 30 120 - Southern California Edison, Chino, Kalifornia, USA akumulatory kwasowo-ołowiowe 10 40 Golden Valley Electric Association (GVEA), Fairbanks, Alaska, USA akumulatory niklowo-kadmowe 40 6,5 Metlakatla Power and Light (MP&L), Alaska, USA akumulatory kwasowo-ołowiowe VRLA 1 1,4 8256 2600 Ah, 8 równoległych łańcuchów po 1032 ogniwa 13760 ogniw, 4 łańcuchy po 3440 ogniw 1134 ogniwa, 100 modułów A75 w łańcuchu Pacificorp Castle Valley, Utah, USA baterie wanadowe 0,250 2 5 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 Puerto Rico Electric Power Authority (PREPA) Battery System, Sabana Llana, Puerto Rico 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 0,055 akumulatory kwasowo-ołowiowe 20 14 2000 ogniw, 8 modułów po 250 kw 6000 1600 Ah, 6 równ. łańcuchów po 1000 ogniw Futamata, Prefektura Aomori, Japonia akumulatory sodowo-siarkowe 34 238 17 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)* 14 PJM Interconnection, USA Zasobnik kinetyczny 20 0,1 7080 1000 Ah, 12 łańcuchów po 590 ogniw 200 kół zamachowych pracujących równolegle Wisconsin Public Service Co., USA SMES 0,8 - - * - 8,5 MW w trybie regulacji częstotliwości, 17 MW w trybie rezerwy 12
Magazyny energii elektrycznej moc zainstalowana na świecie Elektrownie wodne pompowe 141 799 MW, Pneumatyczne zasobniki energii (elektrownie CAES) 440 MW, Akumulatory (baterie) sodowo siarkowe 401 MW, Akumulatory (baterie) litowo-jonowe 238 MW, Akumulatory kwasowo-ołowiowe 80 MW, Akumulatory niklowo-kadmowe 30 MW, Kinetyczne zasobniki energii 25 MW, Baterie przepływowe 46 MW. 13
Magazyny energii elektrycznej moc zainstalowana na świecie 14
Magazyny energii elektrycznej cel stosowania w systemie elektroenergetycznym Usprawnienie pracy systemu elektroenergetycznego. Główne obszary zastosowań można zestawić w cztery grupy: Wsparcie dla podsektora wytwórczego, Wsparcie dla podsektora przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej, Wsparcie dla odnawialnych źródeł energii, Wsparcie dla odbiorcy końcowego. 15
Wsparcie dla podsektora wytwórczego (PW) Regulacja częstotliwości, napięcia, mocy czynnej i biernej w SEE. Głównym założeniem jest potrzeba bardzo szybkiej odpowiedzi na zmieniające się warunki rozpływowe (rozpływy mocy czynnej i biernej) w sieci elektroenergetycznej; z tego powodu technologie tu wykorzystywane muszą charakteryzować się bardzo krótkimi czasami wejścia do pracy i stosunkową dużą pojemnością - technologie tu preferowane to: baterie akumulatorów sodowo-siarkowych i niklowo-kadmowych. Wsparcie dla rynku bilansującego regulacja - technologie tu preferowane to: ogniwa paliwowe SOFC (Solid Oxide Fuel Cells), baterie akumulatorów kwasowo-ołowiowych, pneumatyczne zasobniki energii, elektrownie wodne pompowe. Powiększenie rezerwy systemowej - technologie tu preferowane to: baterie akumulatorów kwasowo-ołowiowych, baterie akumulatorów niklowokadmowych. Wyrównywanie obciążenia elektrycznego systemu (poprawa współczynnika wykorzystania mocy zainstalowanej) - technologie tu preferowane to: baterie akumulatorów sodowo-siarkowych, pneumatyczne zasobniki energii, elektrownie wodne pompowe. Rozruch elektrowni po dużej awarii systemowej - technologie tu preferowane to: pneumatyczne zasobniki energii, elektrownie szczytowo-pompowe, baterie akumulatorów kwasowo-ołowiowych, baterie akumulatorów niklowokadmowych. 16
Wsparcie dla podsektora przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej (PiD) Poprawa stabilności systemów przesyłowych i dystrybucyjnych (poprawa zdolności przesyłowych) - technologie tu preferowane to: baterie akumulatorów sodowo-siarkowych, nadprzewodzące zasobniki energii. Usprawnienie procesów sterowania przesyłem energii (kontrola poziomów napięcia) - technologie tu preferowane to: baterie akumulatorów sodowo-siarkowych, nadprzewodzące zasobniki energii. Przesunięcie inwestycji sieciowych w czasie. Właściwe usytuowanie zasobnika energii w systemie może znacznie odwlec w czasie potrzebę przeprowadzenia bardzo kosztownych inwestycji związanych z modernizacją linii przesyłowych i dystrybucyjnych celem dostosowania możliwości technicznych systemu elektroenergetycznego do wzrastającego zapotrzebowania na energię elektryczną - technologie tu preferowane to: baterie akumulatorów kwasowoołowiowych, baterie akumulatorów sodowo-siarkowych, ogniwa paliwowe. 17
Wsparcie w obszarze OZE Usprawnienie możliwości sterowania OZE, łatwiejsza integracja z systemem elektroenergetycznym, stabilizacja pracy pojedynczych jednostek generacyjnych bazujących na OZE (łagodzenie negatywnych zjawisk charakterystycznych dla niestabilnej generacji bazującej na OZE np.: efekt migotania napięcia) technologie tu preferowane to: superkondensatory, kinetyczne zasobniki energii, technologie bateryjne. Kompensacja nadwyżek i niedoborów energii (gorąca rezerwa) produkowanej przez duże generacje bazujące na OZE (wsparcie dla lokalnych mikrosieci lub krajowych systemów elektroenergetycznych, wsparcie dla rynku bilansującego) - technologie tu preferowane to: technologie bateryjne, pneumatyczne zasobniki energii, średnioi wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe. Przeciwdziałanie stanom dynamicznym, usprawniające pracę hybrydowych układów wytwórczych, np.: w układach turbozespół wiatrowy generator Diesla - technologie tu preferowane to: kinetyczne zasobniki energii, technologie bateryjne, pneumatyczne zasobniki energii. 18
Wsparcie dla odbiorcy końcowego (OK) Zwiększenie niezawodności i pewności zasilania - technologie tu preferowane to: baterie VRB, kinetyczne zasobniki energii (kompozytowe) i najczęściej obecnie wykorzystywane w KSE baterie akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Utrzymanie bądź poprawa parametrów jakościowych energii elektrycznej - technologie tu preferowane to: superkondensatory, kinetyczne zasobniki energii, nadprzewodzące zasobniki energii. Pokrywanie szczytowego zapotrzebowania na energię - technologie tu preferowane to: baterie akumulatorów kwasowo-ołowiowych, baterie VRB, jak również baterie akumulatorów niklowo-kadmowych. 19
Zestawienie obszarów aplikacyjnych dla technologii ZE 20
Kryteria wyboru technologii zasobników energii Zdefiniowana funkcjonalność. Parametry techniczne takie jak: moc układu, pojemność (zdolność magazynowania), sprawność pełnego cyklu, powierzchnia zajmowana przez instalację. Dostępność formacji geologicznych (jeśli jest potrzebna). Gęstość energii. Okres eksploatacji. Sposób przyłączenia do systemu elektroenergetycznego. Poziom niezawodności i wynikająca z niego topologia. Koszty jednostkowe (inwestycyjne + eksploatacyjne). Stopień zaawansowania technologii oraz wpływ na środowisko. Możliwość budowy przy zaangażowaniu krajowego sektora gospodarczego. 21
Poziom zaawansowania technologii MEE w ujęciu ekonomicznym - nakłady inwestycyjne dziś (2015) (2015) Źródło: PwC, 2015 22
Poziom zaawansowania technologii MEE w ujęciu ekonomicznym nakłady inwestycyjne jutro (2030) 23
MEE koszt jednostkowy energii z MEE Jednostkowy koszt energii z MEE (LCOS) w 2015 roku, (źródło: PwC, w 2014 ) 24
MEE koszt jednostkowy energii z MEE Jednostkowy koszt energii z MEE (LCOS) 25
MEE koszt jednostkowy energii z MEE Jednostkowy koszt energii z MEE (LCOS) w 2030 roku, (źródło: PwC, w 2014 ) 26
MEE koszt jednostkowy energii z MEE Jednostkowy koszt energii z MEE (LCOS), bez subsydiów (źródło: Lazard) 27
Szacunkowe koszty bateryjnego zasobnika energii z wykorzystaniem akumulatorów kwasowo ołowiowych, warunki polskie, rok 2010 Parametry techniczne i nakłady inwestycyjne Moc zasobnika 10 MW Liczba przetwornic co najmniej 2 Moc przetwornicy 10 MW Napięcie DC 1000 V Prąd DC 10 ka Czas rozładowania 5 h Liczba monobloków w łańcuchu 500 szt. Liczba łańcuchów 25 Typ akumulatora kwasowo-ołowiowe z płytą pancerną Pojemność akumulatora 2000 Ah Okres eksploatacji akumulatorów 15 lat ( 2000 cykli) Zajmowana objętość Minimum 1750 m 3 (tylko baterie) Koszt inwestycyjny pojedynczego monobloku ok. 1700 zł Koszty jednostkowy przetwornic energoelektronicznych 1000 zł/kw (1200 zł/kw układ dwukierunkowy) tyrystorowa 1300 zł/kw (1600 zł/kw układ dwukierunkowy) - tranzystorowa Nakłady inwestycyjne zasobnika (akumulatory + Ok. 44 mln przetwornice), zł 28
Szacunkowe koszty zasobnika CAES o mocy 15 MW z rurowym (sztucznym) magazynem na sprężone powietrze dla dwóch topologii Air Injection i Inlet Chilling, warunki polskie, rok 2010 Elementy kosztów Wtrysk powietrza (Air Injection) Układ z zamkniętym obiegiem powietrza (Inlet Chilling) Struktura układu Budynki i roboty budowlane 1 550 550 zł 1 550 550 zł Koszty zakupu wyposażenia, w tym: 51 033 000 zł 50 400 000 zł - sprężarki NP - sprężarki WP - turbina gazowa - silnik ekspansyjny WP - silnik ekspansyjny NP. - rurowy zasobnik energii - rekuperator Koszty montażu urządzeń cieplno-mechanicznych, w tym: 4 200 000 zł 1 350 000 zł 7 800 000 zł 1 452 000 zł 2 181 000 zł 31 200 000 zł 2 850 000 zł 4 740 000 zł 4 200 000 zł 1 350 000 zł 7 800 000 zł 3 000 000 zł 31 200 000 zł 2 850 000 zł 4 515 000 zł - turbina gazowa 2 250 000 2 250 000 - silnik ekspansyjny WP 375 000 900 000 - silnik ekspansyjny NP 750 000 - Koszty instalacji elektrycznej i sterującej 750 000 zł 750 000 zł Koszty pośrednie 13 275 000 zł 13 275 000 zł Koszt zasobnika Ok. 72 mln zł Ok. 71mln zł 29
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 winna być głównym kryterium stosowalności technologii MEE. 30
Źródła 1. 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 2009. Jurata, czerwiec 2009. 2. 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 2010. 3. Paska J.: Zasobniki energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym - zastosowania i rozwiązania. Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review). Nr 9a, 2012. ss. 50-56. 4. International Energy Agency (IEA), 2014: Technology Roadmap Energy Storage, Paris Cedex - France. 5. PwC, 2015: calculation made by PwC, Sources for Economics parameters: Agora Energiewende (2014), ISEA Aachen (2012), Fraunhofer IWES, IAEW Aachen, Stiftung Umweltenergierecht (2014), PwC research. 6. Lazard, 2015: Lazard launches levelized cost of energy storage analysis, https://www.lazard.com/media/2394/lazard-launches-levelized-cost-of-energystorageanalysis_11172015.pdf, New York United States of America. 31
Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej - ZEiGE Obszary działalności naukowej, badawczej i dydaktycznej: Technologie wytwarzania energii elektrycznej, w tym z wykorzystaniem odnawialnych zasobów energii (OZE) i źródeł rozproszonych (GR). Integracja źródeł odnawialnych i rozproszonych z SEE. Rynek i ekonomika w sektorze elektroenergetycznym. Niezawodność systemów elektroenergetycznych i bezpieczeństwo elektroenergetyczne. Jakość zasilania i jakość energii elektrycznej. Zasilanie układów potrzeb własnych obiektów elektroenergetycznych. Systemy sterowania, nadzoru i wizualizacji w obiektach elektroenergetycznych. 32
Dziękuję za uwagę Jozef.Paska@ien.pw.edu.pl mariusz.klos@ien.pw.edu.pl 33