Systemy magazynowania energii w energetyce i przemyśle

Krajowy System Elektroenergetyczny składa się z:

• podsystemu wytwórczego energii elektrycznej, czyli generacji – są to wszystkie źródła wytwarzające energię elektryczną, takie jak: elektrownie, elektrociepłownie, źródła energii odnawialnej,
• podsystemu sieci przesyłowej najwyższych napięć – zestaw urządzeń (linie oraz stacje energetyczne), zapewniających transfer i rozdział energii po liniach wysokich i najwyższych napięć, w Polsce są to linie i stacje 750 kV, 400 kV, 220 kV i 110 kV,
• podsystemu sieci dystrybucyjnej – zestaw urządzeń (linie oraz stacje i rozdzielnie energetyczne), zapewniających transfer i rozdział energii po liniach wysokich, średnich napięć i niskich napięć: lokalne linie wysokiego napięcia 110 kV, linie średniego napięcia: 60 kV, 40 kV, 30 kV, 20 kV, 15 kV, 6 kV, 3 kV oraz linie niskich napięć, (przede wszystkim 0,4  kV) do punktu przyłączeń u końcowych odbiorców,
• jednostek zajmujących się obrotem energii elektrycznej i handlem energii do odbiorców końcowych oraz udziałem w rynku energetycznym.

Magazynowanie energii – istotny element w transformacji Krajowego Systemu Elektroenergetycznego

Cały system produkcji i dystrybucji energii elektrycznej można określić jako pięcioetapowy:

1. wydobycie i dostawa surowców energetycznych,

2. produkcja energii,

3. przesył energii po liniach wysokiego napięcia,

4. dystrybucja energii po liniach średniego napięcia oraz po liniach niskiego napięcia,

5. dostawa energii do konsumentów i sprzedaż.

Cztery ostatnie punkty tworzą opisany wyżej Krajowy System Elektroenergetyczny.

Główna idea działania Krajowego Systemu Elektroenergetycznego jest taka, aby dostarczać stabilnie energię elektryczną na potrzeby odbiorców. Odbiorcy mogą pobierać energię do wielkości mocy przyłączeniowej, w  dowolnym czasie i  w  dowolny sposób, przy dowolnym profilu obciążenia. Stabilność z punktu widzenia odbiorcy jest to bezprzerwowe zasilanie napięciem sinusoidalnym, o stałej amplitudzie i częstotliwości. Operatorzy przesyłowi i dystrybucyjni oceniają, że system jest stabilny, jeżeli jest on zrównoważony i zbilansowany pod kątem dostaw i konsumpcji energii, czyli energia wyprodukowana w generacji jest równa odbiorowi i stratom przesyłowym.

Wskaźnikiem tego stanu dla operatorów jest częstotliwość oraz napięcie sieci, są to parametry, które informują o zbilansowaniu mocy czynnej i biernej w sieci elektroenergetycznej. Bilansowanie KSE było przez lata dopracowywane i sprawnie funkcjonowało w energetyce, w której produkcja energii była oparta na wykorzystaniu stabilnej generacji z elektrowni konwencjonalnych (wykorzystujących jako paliwo surowce kopalne, czyli węgiel i  gaz). To się jednak zmienia, bo działania Unii Europejskiej w obszarze ochrony środowiska, przeciwdziałanie zmianom klimatycznym, powodują ograniczanie produkcji energii z  tych bloków elektrowni (przede wszystkim z generacji „węglowej”) i wymuszają wprowadzenie do systemu produkcji energii z rozproszonych źródeł energii odnawialnej OZE (OZE – Odnawialne Źródła Energii). To było celem wprowadzonego pakietu 20-20-20 i nakładało na kraje Unii Europejskiej obowiązek do roku 2020, ograniczenia o 20% emisji gazów cieplarnianych, ograniczenia o  20% emisji dwutlenku węgla i osiągnięcia o 20% wzrostu efektywności energetycznej (w  stosunku do wartości, jakie dany kraj miał w tych obszarach, w 1990 r.). Po roku 2020 kontynuacją tego będzie wprowadzenie pakietu REDII, który do roku 2030 wymusi takie dalsze działania w tym kierunku i osiągnięcie dla każdego z tych celów poziomu 27%. Planowana jest dekarbonizacja Europy, czyli brak możliwości uczestnictwa w obszarze rynku produkcji energii jednostek emitujących więcej niż 550 kg CO2/1 MWh (osiągnięcie tego w  Unii Europejskiej jest planowane od połowy 2025 roku). Wszystko to spowoduje, że wzrost produkcji energii ze źródeł energetyki odnawialnej będzie znaczący. Szacuje się, że udział OZE w całkowitej produkcji energii na świecie w  roku 2040  r. osiągnie poziom 40%. To wszystko wpłynie na konieczność transformacji systemów energetycznych. Z jednej strony, zwiększenie generacji ze źródeł OZE powoduje, że energia będzie produkowana ze źródeł rozproszonych i dużo mniej stabilnych, a z drugiej, transfer energii nie będzie już jednokierunkowy (czyli od najwyższych napięć do najniższych) i będzie możliwy przepływ energii w obu kierunkach, bo odbiorcy końcowi będą też producentami energii, czyli prosumentami.

System energetyczny nie ma możliwości samoczynnego magazynowania energii i do zbilansowania mocy potrzebne są źródła rezerwowe. W obecnej albo może już poprzedniej koncepcji energetyki, to zrównoważenie i stabilizację uzyskiwano przez pracujące w rezerwie źródła generacyjne, takie jak: generatory turbin parowych, elektrownie wodne oraz elektrownie szczytowo-pompowe. Przy transformacji krajowego systemu energetycznego, przy zwiększaniu generacji energii ze źródeł OZE, to może już nie wystarczyć. Wynika to z faktu, że takie źródła energii są bardzo niestabilne, a przebiegi mocy generowanej z tych źródeł – szybkozmienne. Zmiany dostępnych mocy wytwórczych w systemie zachodzą bardzo szybko, nawet w czasie ułamków sekund. Z tego powodu wkrótce problemem nie będzie pozyskanie energii, ale zapewnienie ciągłości jej dostaw, szczególnie z lokalnych źródeł wytwórczych. Spowoduje to (a może już powoduje) konieczność zwiększenia zmagazynowania energii w systemie zarówno pod kątem większej dostępności energii, jak i w liczbie takich instalacji. Konieczne będą rozproszone instalacje magazynujące energię, które w  przypadku miejscowego wystąpienia zakłóceń doprowadzą dla szybkiego, lokalnego bilansowania mocy.

Magazyn energii możemy zdefiniować jako zasobnik, który może pobrać energię z sieci, zatrzymać ją, a następnie na żądanie oddać do sieci. Najbardziej popularne magazyny energii elektrycznej (wymieniamy je od zasobników przeznaczonych do największych mocy, liczonej w setkach, dziesiątkach megawatów, do tych dedykowanych do najmniejszej mocy, liczonej w megawatach, setkach kilowatów czy też nawet w kilowatach), są to:

• elektrownie szczytowo-pompowe,
• zasobniki ze sprężonym powietrzem,
• zasobniki wykorzystujące energię kinetyczną wirujących mas,
• zasobniki wykorzystujące zjawiska nadprzewodzące układy cewek,
• kondensatory,
• akumulatory chemiczne,
• wodór i  ogniwa paliwowe.

W koncepcji energetyki rozproszonej główne zadania magazynów energii można zdefiniować jako:

• usługi regulacyjne i systemowe, w tym poprawa jakości energii, stabilności systemu,
• uzyskanie lepszej sprawności wytwarzania energii w systemie i ograniczenie strat przesyłowych do klientów końcowych,
• lepsze wykorzystanie odnawialnych źródeł energii,
• możliwość stosowania w systemie usług komercyjnych, na rynku energii i sprzedawanie magazynowanej energii w szczycie jej zapotrzebowania, w lepszych cenach.

Najbardziej istotne będą usługi systemowe, zapewniające poprawę stabilności, efektywności, jakości energii, czyli zapewniające zbilansowanie systemu pod kątem mocy czynnej i biernej. Magazyny energii realizujące takie funkcje będą instalowane w różnych miejscach KSE, od bezpośredniego sąsiedztwa przy dużych elektrowniach, przy źródłach energii odnawialnej (farmach OZE), przy liniach wysokiego, średniego, niskiego napięcia, w liniach energetycznych zakładów przemysłowych. Od miejsca instalacji zależy też, jakie mogą być realizowane ich funkcje, przedstawia to rysunek 1.

W Polsce wszystkie opisane wyżej transformacje już się dzieją i są wdrażane. W różnych firmach, miejscach systemu energetycznego wprowadzane są i testowane magazyny energii. Dotyczy to zarówno obszarów energetyki zawodowej, jak i odbiorców przemysłowych i prosumentów. W dalszej części przedstawimy kilka takich instalacji, które realizują najciekawsze funkcje, w tych przypadkach zasobniki energii oparte są głównie na bazie akumulatorów chemicznych.

Magazyn Energii zainstalowany przez Energa Operator S.A. przy farmie OZE Bystra

Magazyn Energii zainstalowany został przy farmie wiatrowej FW Bystra (o mocy 24 MW), zlokalizowanej na północy Polski, w województwie pomorskim, powiat Pruszcz Gdański. Ta inwestycja powstała przy współpracy firm: Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A. (PSE) – polski operator systemu przesyłowego, Energa Operator S.A. (EOP) – polski operator systemu dystrybucyjnego i Energa OZE S.A. (EOZE) – spółka operatora dystrybucyjnego działająca w obszarze źródeł OZE. Projekt ten jest wspierany też przez Ministerstwo Klimatu i Środowiska.

Jest to hybrydowy bateryjny magazyn energii, gdzie zasobnikami są baterie chemiczne w technologii litowo-jonowej oraz kwasowo-ołowiowej. Moc magazynu to około 27 MWh i składa się on z następujących elementów:

bateria litowo-jonowa, pojemność 0,47 MWh, moc użytkowa 1 MW,

bateria kwasowo-ołowiowa, pojemność 26,9 MWh, moc użytkowa 5 MW,

przekształtnika dwukierunkowego o mocy 6 MW,

systemu zarządzania i sterowania magazynem energii EMS (z  ang. Energy Management System). EMS zapewnia sterowanie tymi dwoma rodzajami baterii oraz realizuje zadania magazynu.

Bateria litowo-jonowa o dobrej charakterystyce mocy wejściowej i wyjściowej, dużych prądach ładowania i rozładowania realizuje usługi systemowe i funkcje regulacyjne w sieci energetycznej. Funkcje regulacyjne są to szybkozmienne bilansowanie systemu pod kątem mocy czynnej i biernej, utrzymywanie napięcia i częstotliwości. Bateria Li-ion, która ma możliwości wydatkowania w obu kierunkach dużej mocy, może to zapewnić. Bateria kwasowo-ołowiowa ma słabą charakterystykę mocy wejściowej i z tego powodu nie nadaje się do takich zadań, ma natomiast dobrą charakterystykę mocy wyjściowej i niskie koszty inwestycyjne (czyli cena za 1 KWh). Z tych względów tu jest zmagazynowana duża pojemność systemu i są realizowane tzw. funkcje pojemnościowe, czyli zabezpieczenie lokalnej mocy w systemie przypadku gdy farma wiatrowa nagle zostanie odłączona oraz przejście obszaru na pracę wyspową. Zasadę działania takiego magazynu przedstawia rysunek 2.

Czerwona krzywa rozładowania oznacza realizowanie zadań systemowych, cyklicznego szybkiego ładowania i rozładowania, i tu magazyn wykorzystuje energię z baterii litowo-jonowej. W przypadku realizowania zadań pojemnościowych, wolniejszego rozładowania w dłuższym okresie, magazyn wykorzystuje energię z baterii kwasowo-ołowiowej (jest to niebieska krzywa rozładowania). W obszarze zielonym jest to konfiguracja hybrydowa i mogą pracować oba zasobniki bateryjne. W wyniku tego projektu operatorzy (PSE i Energa) mają za zadanie zebrać doświadczenia, jak magazyny energii będą pomagać we współpracy z farmami wiatrowymi i fotowoltaicznymi. Na tej podstawie będą wypracowywane zasady integracji energetyki odnawialnej w Polsce z Krajowym Systemem Elektroenergetycznym. Będzie możliwe przetestowanie i ocenienie skuteczności pracy technologii magazynowania energii przy wykorzystaniu zasobników chemicznych w różnych technologiach (litowo-jonowych i kwasowo-ołowiowej) i sprawdzenie, która technologia jest bardziej przydatna i optymalna. Na podstawie eksploatacji tej instalacji będzie można sprawdzić, czy i jak magazyny energii poprawią bezpieczeństwo i jakość pracy systemu elektroenergetycznego, będzie analizowana rola magazynów energii w ograniczeniu nakładów inwestycyjnych na infrastrukturę przesyłową. Odłożenie inwestycji można uzyskać poprzez wykorzystywanie energii zgromadzonej w magazynach do eliminowania lub łagodzenia przeciążeń szczytowych w liniach przesyłowych (w takich sytuacjach nadwyżkę energii zapewnia magazyn). Takie stany występują w systemie elektroenergetycznym w szczytach dystrybucyjnych, przy awariach okolicznych linii energetycznych. Jeżeli działanie magazynów energii w tym zakresie będzie skuteczne, to być może będą one alternatywą inwestycyjną, czyli pomogą odłożyć w czasie lub nawet zastąpić wymagane inwestycje w zakresie rozbudowy systemu o nowe linie. Reasumując, podczas eksploatacji magazynu przy Farmie Wiatrowej Bystra prowadzone będą testy w zakresie realizowania następujących zadań:

• „wygładzania” krótkoterminowych wahań mocy czynnej generowanej przez farmę wiatrową,
• regulacji wtórnej częstotliwości,
• zapewnienia rezerw mocy na potrzeby bilansowania obciążeń,
• reagowania na zmiany zapotrzebowania mocy w systemie,
• sprawdzenia skuteczności pracy magazynu w różnych technologiach zasobników chemicznych,
• możliwej roli magazynów w arbitrażu cenowym,
• możliwej pracy komercyjnej magazynu, zarabianiu na różnicy cen energii pobieranej z sieci, gdy jest najtańsza, i oddawaniu do sieci w czasie szczytowego zapotrzebowania.

Magazyn energii zainstalowany w warszawskiej sieci dystrybucyjnej

Przykładem wdrożenia układów magazynów energii w lokalnej, miejskiej sieci dystrybucyjnej jest inteligentna stacja transformatorowa z magazynem energii, z przyłączami do źródeł OZE oraz ładowarką pojazdów elektrycznych (umożliwiająca wykorzystanie zasobnika z tych pojazdów jako mobilnego źródła energii) dla warszawskiego operatora dystrybucyjnego Innogy Stoen Operator sp. z o.o.

Podstawowym zadaniem magazynu energii jest akumulowanie energii w porze nocnej i oddawanie jej w okresie szczytu. Urządzenie wykorzystuje algorytm pozwalający na samodzielne sterowanie cyklami ładowania i  oddawania energii do sieci na podstawie pomiaru prądu w sieci niskiego napięcia (nn). Algorytm adaptuje się samodzielnie do krzywej obciążenia stacji śledzonej w okresie 9 dni, determinując moment rozpoczęcia i  zakończenia układu zasobnika.

Stacja składa się z:

• transformatora średniego napięcia na niskie napięcie (SN/nn),
• rozdzielnicy średniego napięcia (SN) w  wersji SMART Grid,
• rozdzielnicy niskiego napięcia (nn) wyposażonej w pomiary każdej z  faz,
• inwertera dwukierunkowego do obsługi magazynu energii 70 kW,
• baterii litowo-jonowej (Li-ion) 62,3 kWh,
• ładowarki do samochodów elektrycznych V2G (z ang. Vehicle to Grid), która ma możliwość przekazywania energii z baterii samochodu do sieci,
• instalacji fotowoltaicznej PV 1,6 kWp.

Z uwagi na konieczność zapewnienia bezpieczeństwa zasilanych odbiorów w stacji zastosowano rozdzielnicę nn w wykonaniu dwusekcyjnym: sekcja pierwsza ma zadania dystrybucji energii (określna jako dystrybucyjna) i sekcja druga, zapewniająca dołączanie zasobników (określana jest jako magazynowa). Dodatkowo do sekcji magazynowej została podłączona instalacja PV, która jest zlokalizowana na dachu stacji. W układzie tym oprócz zasobnika chemicznego (baterii Li-ion) znajdują się urządzenia zapewniające dwukierunkowy, kontrolowany przepływ energii. Jest to przetwornica dwukierunkowa, umożliwiająca kontrolę procesu ładowania i  rozładowania baterii elektrochemicznej zgodnie z parametrami podanymi przez producenta baterii. Zapewnia ona wymianę energii między siecią elektroenergetyczną a magazynem energii, zgodnie z algorytmami zapewniającymi poprawę stabilności sieci. To rozwiązanie gwarantuje zapewnienie odpowiednich parametrów elektrycznych energii przesyłanej oraz daje możliwość sterowania zasobnikiem w oparciu o algorytm zarządzania przepływem energii przez operatora w sposób zdalny bądź lokalny, to znaczy w miejscu zainstalowania urządzenia.

Zastosowanie takich wdrożeń zasobników energii w stacjach energetycznych należących do Operatora Systemu dystrybucyjnego pozwala mu realizować szereg funkcji zależnych od zastosowanych układów zasobników chemicznych i wprowadzonych do sterowania funkcji. Wykorzystanie zgromadzonej energii elektrycznej do bilansowania przez OSD pracy sieci dystrybucyjnej z wykorzystaniem rozwiązań magazynowania (obcinanie szczytów, wypełnianie dolin, przesuwanie obciążenia) pozwala na poprawę parametrów jakościowych i niezawodnościowych dostaw energii elektrycznej do odbiorcy końcowego (wskaźniki przerw w sieci dystrybucyjnej – SAIDI, SAIFI, MAIFI) oraz obniżenie kosztów wynikających z niedotrzymania wymaganych parametrów w tym obszarze (zgodnie z artykułem [4]). Dodatkowo tworzy się możliwość bezpiecznego odstawienia fragmentu sieci dystrybucyjnej i przejścia do pracy wyspowej w przypadku wyłączeń planowanych i nieplanowanych.

Dodatkowo, dzięki wykorzystaniu samochodów elektrycznych z funkcją zwrotu energii do sieci (V2G), stanowiących mobilny magazyn energii współpracujący z siecią elektroenergetyczną, zwiększone zostanie bezpieczeństwo dostaw energii do odbiorców końcowych oraz usprawniony proces dystrybucji energii elektrycznej. Dodatkowo zmagazynowanie energii lokalnie i podłączenie samochodu EV bezpośrednio do stacji SN/nn pozwoli na ograniczenie strat związanych z dystrybucją. Magazyn energii elektrycznej daje także możliwość pracy autonomicznej (wyspowej), która może być wykorzystana w przypadku zaniku napięcia po stronie SN, np. dla podtrzymania zasilania wybranego kierunku w stacji SN/nn. Funkcja zmniejszenia długości przerw w napięciu jest interesująca. Za przerwę długą w napięciu rozumie się zmniejszenie amplitudy napięcia poniżej 10% wartości nominalnej na czas dłuższy niż 3 min (przerwy krótkie są omówione dalej). Takie przerwy są najczęściej skutkiem awarii w sieci lub zwarciem nieprzemijającym. Jeżeli automatyka zabezpieczeniowa jest w stanie usunąć problem, dzieje się to zazwyczaj w  czasie do 3 min. Zasobnik może tu pomóc poprzez wyspowe zasilanie fragmentu sieci w wypadku awarii ciągu liniowego pomiędzy punktami zasilania a  lokalizacją zasobnika. Wystarczy, że przerwa zostanie skrócona do czasu poniżej trzech minut. Ponieważ zasobnik dysponuje zapasem energii i falownikami elektronicznymi, które mogą zachowywać się jak źródła napięcia o ustalonej częstotliwości, może on zasilać samodzielnie fragment sieci i przyłączonych odbiorców tak długo, jak moc pozorna odbiorów nie przekroczy trwale mocy pozornej zasobnika i wystarczy energii w  bateriach.

Magazyn Energii zainstalowany przez PKP Energetyka S.A. w kolejowej podstacji trakcyjnej PT Garbce

Przykładem wdrożenia systemu magazynowania energii współpracującego z siecią kolejową jest budowa takiego systemu przez firmę PKP Energetyka S.A., która jest dostawcą energii elektrycznej do kolejowej sieci trakcyjnej oraz jest użytkownikiem zasilającej ją infrastruktury przyłączeniowej. W obszarze działania PKP Energetyka jest około 30 stacji GPZ (jest to określenie stacji najwyższych napięć, czyli: Główny Punkt Zasilania) oraz stacji średnich napięć określanych jako Podstacje Trakcyjne PT (około 500) i Kabiny Sekcyjne (około 400). Zasilanie dla tych stacji jest napięciem: dla GPZ jest to wysokie napięcie 110 kV AC, dla Podstacji Trakcyjnych i Kabin Sekcyjnych jest to napięcie średnie 30 kV AC, 20 kV AC, 15 kV AC. Napięciem wyjściowym jest napięcie stałe 3,3 kV DC trakcji kolejowej. Omawiany magazyn energii został zbudowany przy Podstacji Trakcyjnej Garbce (województwo dolnośląskie), przy współfinansowaniu z dotacji Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, Europejskiego Funduszu Społecznego oraz Funduszu Spójności, a część badawczą PKP Energetyka realizuje wspólnie z  Technicznym Uniwersytetem Zielonogórskim. Budowa tego magazynu energii jest to praca z związana z wdrożeniem projektu Dynamicznej Redukcji Obciążenia Podstacji Trakcyjnej (DROPT). Celem tego projektu jest osiągnięcie redukcji zamówionej mocy przyłączeniowej w podstacjach trakcyjnych. Moc przyłączeniowa jest to element składowy opłat za taryfę energetyczną i dodatkowo można tu uzyskać redukcję kosztów budowy/modernizacji przyłącza takiej podstacji trakcyjnej (poprzez zmniejszenie mocy nominalnej aparatury). Taki dobrze dopasowany do potrzeb magazyn energii może zapewnić inwestorowi interesujący czas zwrotu z inwestycji. PKP Energetyka będzie wdrażała projekty Dynamicznej Redukcji Obciążenia na obiektach, gdzie jest małe wykorzystanie mocy zamówionej, natomiast profil zapotrzebowania na energię duży, szczytowy wydatek mocy w krótkim okresie (np. w czasie kilku minut). Na podstacji trakcyjnej Garbce określono dwa przypadki takiej charakterystyki. Jeden, kiedy przejazd pociągu generuje pobór mocy na poziomie 2,5–3 MW w czasie ok. 5 minut, a następnie jest kilkunastominutowa, kilkudziesięciominutowa przerwa. Drugi, kiedy przejazd pociągu generuje w czasie 1 minuty (kilkudziesięciu sekund) impulsowy pobór mocy ok. 6 MW i następny taki impuls jest za kilkanaście minut. Ilustrują to przebiegi pokazane na rysunku 4. i takie przebiegi były opisane w  postępowaniu przetargowym jako element zapytania ofertowego na zasobnik.

W takim systemie pracy magazyn energii pokrywa w całości lub w części moc szczytową, a następnie w okresie przerw odtwarza magazynowaną pojemność, ładując zasobnik chemiczny mocą 0,5 MW. W ten sposób redukcja mocy przyłączeniowej może nawet osiągnąć poziom 3 MW. Schemat podłączenia magazynu energii w  systemie DROPT do sieci trakcyjnej przedstawia rysunek 5.

Magazyn energii zainstalowany na podstacji trakcyjnej Garbce jest to system o mocy 5,5 MW i pojemności 1,2 MWh i składa się z:

• zestawu ogniw bateryjnych w technologii li-ion o mocy 1,2 MWh. Bateria jest wyposażona w system nadzoru parametrów pracy BMS (ang. Battery Management System), kompatybilny z systemem sterowania, umożliwiający monitorowanie parametrów pojedynczych ogniw bateryjnych, jej gałęzi, całej baterii. System BMS zapewnia wyrównywanie energii pomiędzy ogniwami (ang. balancing) oraz realizuje zabezpieczenie baterii przed nadmiernym rozładowaniem, przeładowaniem, przegrzaniem i innymi niespodziewanymi zagrożeniami i awariami,
• systemu inwerterów do przekształcania energii DC/DC przyłączonych do sieci DC 3,3 kV oraz systemu AC/DC do ładowania baterii z  sieci przyłączeniowej; jest to układ przekształtników energoelektronicznych pracujących równolegle o mocy 5,5 MW,
• systemu sterowania przepływem energii EMS (ang. Energy Management System), który realizuje zadania magazynu (w sposób ręczny lub automatyczny) i nadzoruje jego pracę,
• kontenerów do zabudowy systemu w standardzie ISO:4, z systemami wentylacji, klimatyzacji, gaszenia, kontroli dostępu.

Magazyn energii oddając energię do sieci trakcyjnej ma możliwość zapewnienia redukcji chwilowej mocy obciążenia podstacji w  zakresie od 1 MW do 3 MW (z  nastawą co 0,1 MW). Ładowanie magazynu jest tylko z  przyłącza energetycznego, 15 kV AC, ładowanie jest realizowane mocą w zakresie od 0,2 MW do 0,5 MW (z  nastawą co 0,01 MW).

PKP Energetyka, podążając za zachodzącymi przemianami i transformacją krajowego systemu elektroenergetycznego, widzi zastosowanie systemów magazynowania energii, w celu zrealizowania w jej obszarze dystrybucyjnym następujących funkcji:

1. poprawa zasilania jednostronnego (podniesienie napięcia),

2. współpraca z odnawialnymi źródłami energii,

3. redukcja mocy szczytowej (system Dynamicznej Redukcji Obciążenia Podstacji Trakcyjnej).

W obszarze działania PKP Energetyka będą wdrażane kolejne systemy magazynowania energii.

Magazyn energii przy farmie fotowoltaicznej dostarczony dla miejskiego przedsiębiorstwa wodociągów w województwie warmińsko-mazurskim

Dwa magazyny energii zostały oddane do eksploatacji wraz z instalacją fotowoltaiczną (o mocy 0,5 MW) we wrześniu 2020 roku. Instalacja fotowoltaiczna zasila w energię elektryczną stację uzdatniania wody miejskiego przedsiębiorstwa wodociągów. Nadmiar energii nieskonsumowanej przez obiekt w ciągu dnia gromadzony jest w dwóch bateryjnych zasobnikach energii, a następnie zużywany w porze wieczornej i nocnej, kiedy produkcja energii z farmy fotowoltaicznej spada.

W słoneczny dzień farma fotowoltaiczna pokrywa 100% zapotrzebowania na energię elektryczną, natomiast w cyklu rocznym szacuje się, że średnio pokryje 30% zapotrzebowania. Produkcja energii elektrycznej z farmy fotowoltaicznej cechuje się dużą zmiennością w roku, na którą wpływ ma bieżące promieniowanie słoneczne oraz wahania sprawności paneli zależne od temperatury otoczenia. Praca zasobników energii sprowadza się głównie do „pracy sezonowej” w  czasie największego nasłonecznienia, tzn. w okresach od marca do listopada. Moc każdego z zainstalowanych przekształtników dwukierunkowych wynosi 30 kW, a pojemność każdej baterii to 51 kWh. Magazyn energii został dostarczony przez firmę APS Energia.

Bateryjny zasobnik energii podłączony jest do obiektowej sieci niskiego napięcia (3×400 V AC). Zastosowane baterie litowo-jonowe w technologii LFP zapewniają trwałość oraz dużą liczbę cykli ładowania i rozładowania. Technologia litowo-żelazowo-fosforanowa LI-FePO4 (LFP) łączy w sobie zalety wysokiej wydajności prądowej, długiego czasu eksploatacji i przede wszystkim bezpieczeństwa użytkowania. Ogniwa te dodatkowo wykazują zwiększoną w stosunku do innych technologii litowo-jonowych odporność na warunki eksploatacji. Mają możliwość pracy w temperaturach poniżej zera, a przy wewnętrznym zwarciu nie ma zapłonu, tylko jednie efekt dymienia. Napięcie znamionowe baterii litowo-jonowej wynosi 512 V DC, a za zarządzanie procesem ładowania/rozładowania oraz diagnostykę baterii i bezpieczeństwo ogniw odpowiada system nadzoru baterii (BMS).

Magazyn energii oprócz funkcji gromadzenia energii w okresie dnia i oddawania jej w porze nocnej, realizuje funkcję kompensacji mocy biernej wraz z jednoczesnym wykorzystaniem mocy czynnej. Zasobnik pracuje w pełni automatycznie, a przepływy mocy i ilość zgromadzonej energii są zwizualizowane lokalnie na panelu LCD oraz wyprowadzone zdalnie do systemu nadzoru SCADA.

Magazyn energii w zakładzie przemysłowym, kompleks produkcyjno-magazynowy Inter-Europol Piekarnia Szwajcarska

Przykładem wdrożenia w zakładzie przemysłowym jest bateryjny zasobnik energii, który pracuje na potrzeby magazynu wysokiego składowania produktów mrożonych. Magazyn energii pracuje tam od 2019 roku. Kompleks produkcyjno-magazynowy znajduje się w miejscowości Małopole koło Warszawy i należy do firmy Inter-Europol Piekarnia Szwajcarska. W obiekcie wszystkie procesy są w pełni zautomatyzowane i odbywają się w niskich temperaturach, to jest w warunkach mroźni.

Bateryjny zasobnik energii gwarantuje stabilność napięcia zasilającego dla urządzeń technologicznych w przypadku zapadów i zaników napięcia oraz przerw w dostawie energii elektrycznej. Zainstalowany bateryjny zasobnik energii składa się z przekształtnika dwukierunkowego o mocy 500 kW typu BFI2z i  baterii litowo-jonowej o pojemności 250 kWh wykonanej w technologii NMC. Bateria oraz przekształtnik zasobnika został zabudowany w kontenerowej stacji SPS.

SPS (Smart Power Station) to inteligentna stacja transformatorowa z magazynem energii. Składa się ona z dwóch części: naziemnej i podziemnej. W części naziemnej, znajdującej się nad poziomem gruntu, zainstalowana jest aparatura elektroenergetyczna, czyli rozdzielnica średniego napięcia, przekształtnik dwukierunkowy BFI2z, system zarządzania pracą magazynu (EMS) oraz rozdzielnica niskiego napięcia, natomiast w części podziemnej znajdują się akumulatory litowo-jonowe oraz system gaszenia. Takie rozwiązanie jest korzystne, gdyż zwiększa bezpieczeństwo instalacji oraz zasobnik chemiczny pracuje w komfortowym zakresie temperatur (eliminujemy temperatury pracy wysokie oraz poniżej zera). Przedstawiono to na rysunku 9.

Podsumowanie

Rozwój energetyki w  kierunku rozproszenia źródeł generacyjnych, zastosowania dużej liczby źródeł wytwarzania energii z OZE, wydzielania w dystrybucji obszarów samobilansujących się, wprowadzania koncepcji smart-grid – nie pozostawia nam złudzeń – będą potrzebne w  systemie mikroregulatory, jakimi są magazyny energii. Jeżeli będą to zasobniki energii o mocach kilkuset kilowatów czy kliku lub kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu megawatów, to w nich zasobnikiem energii będą akumulatory chemiczne (np. li-ion). W artykule przedstawiono, jak w różnych częściach polskiego systemu energetycznego są takie instalacje testowane i  jakie mają zadania. To są systemowe innowacje, które pozwolą nam nabyć doświadczenia. Te doświadczenia dotyczą zarówno oceny przydatności, nauczenia się ich eksploatacji oraz poznania zasad instalowania i oceny bezpieczeństwa systemu. W zasobniku chemicznym technologia oparta na ogniwach Li-ion charakteryzuje się dużą gęstością energii. Przy niewłaściwej eksploatacji, niezadziałaniu systemów zabezpieczeń, wadliwym działaniu systemu nadzoru baterii BMS – może dojść do wewnętrznego zwarcia i awarii. Tylko powiedzmy sobie szczerze, dziś taki magazyn energii z zasobnikiem li-ion każdy z nas nosi w  kieszeni (telefon) lub w torbie (komputer) i jest to bezpieczne, a awarie są już incydentalne. Tak samo będzie z  tymi „dużymi” magazynami i jeżeli te instalacje będą należycie i ze starannością techniczną przygotowane i wykonane, to takie wdrożenia i instalacje będą normalnym elementem systemu energetycznego.

Literatura

1. Materiały katalogowe firmy APS Energia S.A.

2.https://www.gramwzielone.pl/magazynowanie-energii/103979/najwiekszy-w-polsce-bateryjny-magazyn-energii-rozpoczyna-prace

3. https://globenergia.pl/najwiekszy-hybrydowy-magazyn-energii-w-polsce-wchodzi-z-faze-demonstracyjna/

4. Ł. Sosnowski, P. Dukat, A. Koziński, P. Biczel, Inteligentna stacja SN/nn z  zasobnikiem energii i układem ładowania Vehicle-to-Grid (V2G) na przykładzie wdrożenia w innogy Stoen Operator, „Wiadomości Elektrotechniczne”, DOI: 10.15199/74.2020.4.2.

5. Materiały przetargowe PKP Energetyka: Zapytanie ofertowe dotyczące dostawy kompletu elementów do budowy prototypu magazynu energii na stałe zabudowanych w prototypie. Numer postępowania: EK1-RFP-001/12/2018, https://archiwum-bazakonkurencyjnosci.funduszeeuropejskie.gov.pl/publication/view/1157850.

6. Materiały własne PKP Energetyka, prezentacja „System dynamicznej redukcji obciążenia podstacji trakcyjnej, działający z wykorzystaniem zasobnika dużej mocy.

7. Materiały systemu APStorage.

8. Materiały katalogowe systemu SPS.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!