Układy magazynowania energii i zwiększania niezawodności zasilaczy UPS

Częste występowanie trwających kilka-kilkadziesiąt sekund zakłóceń zasilania urządzeń o mocy rzędu kilkudziesięciu-kilkuset kVA wymaga zastosowania specjalizowanych układów zapewniających krótkotrwałe zasilanie odbiornikom, np. zasilaczy UPS lub dynamicznych układów zasilania wyposażonych w kinematyczny zasobnik energii [1–3].

Układy równoległe UPS

Jednym z powodów budowania układów równoległych UPS jest zwiększenie mocy UPS-a w sytuacji, gdy moc pojedynczej jednostki jest niewystarczająca. W tym przypadku stosuje się jednostki UPS, tak zwane „modularne”, tzn. każdy UPS wyposażony jest w wewnętrzny bypass elektroniczny oraz układ sterowania pozwalający pracować również samodzielnie. Często stosuje się również centralny bypass zewnętrzny, którego moc znamionowa umożliwia zapewnienie zasilania dla całego węzła.

W układach równoległych wszystkie jednostki UPS muszą komunikować się ze sobą lub być zarządzane przez jeden wspólny układ sterowania, którego zadaniem jest [1–3]:

• utrzymywanie jednakowych napięć, co do wartości i fazy, wytwarzanych przez wszystkie falowniki, przy zasilaniu UPS-a z sieci i przy pracy z baterii,
• kontrola obciążeń poszczególnych jednostek UPS oraz sterowanie nimi, aby wszystkie jednostki obciążone były równomiernie,
• kontrola trybu pracy poszczególnych jednostek UPS (z falownika czy na bypassie elektronicznym) oraz takie nimi sterowanie, aby we wszystkich jednostkach tryby pracy były jednakowe. Niedopuszczalne jest bowiem, aby część jednostek pracowała z falownika, a pozostała część na obejściu – przez bypass elektroniczny,
• blokowanie pracy falownika we wszystkich jednostkach UPS, gdy w którymkolwiek z nich zamknięty jest bypass serwisowy lub gdy zamknięty jest centralny bypass zewnętrzny.

Z uwagi na wspólny system sterowania jednostkami UPS pracującymi równolegle, liczba tych jednostek w układzie jest ograniczona. Różni producenci stosują własne układy sterowania, stąd różna jest maksymalna dopuszczalna liczba jednostek w układzie równoległym. Na ogół liczba ta zawiera się w przedziale od 4 do 8. Ograniczenie liczby jednostek UPS pracujących równolegle wynika nie tylko z ograniczeń układów sterowania. Powodem tym jest również nierównomierność rozpływu prądu w połączonych równolegle torach układów bypass wewnętrznych UPS-ów [1–3]. Wiadomo bowiem, że nawet przy pozornie identycznych torach pracujących równolegle, rozpływ prądu nie jest równomierny. Im liczba torów pracujących równolegle jest większa, tym nierównomierność obciążeń również jest większa. Aby ograniczyć to zjawisko, wszystkim jednostkom UPS w układzie równoległym należy zapewnić podobne warunki pracy sieciowej. Z tego powodu wymagane jest, aby kable zasilające wszystkie jednostki UPS były tego samego typu, miały jednakowy przekrój poprzeczny oraz jednakową długość. Dotyczy to zarówno strony zasilającej, jak i podłączenia odbiorników.

Układy rozdzielnic nn

W przypadku stosowania w centralnym węźle kilku jednostek UPS pracujących równolegle, zwykle stosuje się wydzieloną rozdzielnicę zasilania UPS-ów. W układzie z rozdzielnicą z pojedynczym systemem szyn zbiorczych, rozdzielnica zasilana jest dwiema niezależnymi liniami, przy czym w danej chwili pracuje tylko jedna linia zasilająca (rezerwa jawna). W polach odpływowych do UPS-ów mogą być stosowane wyłączniki nadprądowe lub bezpieczniki topikowe [1–3].

Zasilanie UPS-ów z jednej sekcji szyn zbiorczych ma istotną wadę, polegającą na tym, że wyłączenie napięcia na szynach zbiorczych w wyniku awarii, przeglądu, naprawy, konserwacji lub prowadzonej rozbudowy powoduje całkowite pozbawienie zasilania UPS-ów. Zasilanie odbiorów będzie wówczas podtrzymane tylko do czasu wyczerpania baterii akumulatorów. Ponieważ czas podtrzymania zasilania z baterii zwykle wynosi od kilku do kilkudziesięciu minut, może to być czas zbyt krótki do dokonania czynności naprawczych lub rozbudowy rozdzielnicy zasilania UPS-ów. W układzie tym jest więc zagrożona ciągłość zasilania odbiorów.

Wyprowadzenie mocy z UPS-ów następuje często do jednej rozdzielnicy, która również wyposażona jest w pojedynczy system szyn zbiorczych. Takie rozwiązanie ma poważną wadę, polegającą na tym, że jakakolwiek przerwa w pracy tej rozdzielnicy natychmiast pozbawia odbiory zasilania. Wymienione wady rozdzielnic powodują, że układ pojedynczych szyn zbiorczych charakteryzuje się niską pewnością zasilania odbiorów. Pewną poprawę niezawodności zasilania odbiorów można uzyskać przez zastosowanie w rozdzielnicach podwójnych systemów szyn zbiorczych [1–3].

Rozwiązania dla najwyższych wymagań niezawodnościowych

W przypadku gdy bypass jest zasilany napięciem sieciowym, w razie zaniku napięcia sieciowego odbiory pozbawione zostaną zasilania. W przypadku bardzo ważnych odbiorów takie ryzyko może być niedopuszczalne. Można wówczas budować układy o szczególnie wysokim stopniu niezawodności [1–4].

Najprostszym przykładem zabezpieczenia toru bypass przed zanikiem zasilania jest tzw. redundancja szeregowa dwóch jednostek UPS, nazywana także redundancją kaskadową. Schemat przykładowego układu przedstawiono na rysunku 1. 

Grupa najważniejszych odbiorów zasilana jest z UPS1. Tor bypass UPS1 zasilany jest nie z sieci, lecz z UPS2. Moc znamionowa UPS2 powinna być większa niż moc UPS1, gdyż jednym z powodów przejścia UPS1 na bypass może być jego przeciążenie. Gdyby moc UPS2 była równa mocy UPS1, to UPS2 również zostałby przeciążony i przeszedłby na bypass, który też jest zasilany napięciem sieciowym. W efekcie obwody zostałyby pozbawione zasilania [1–3].

Gdyby UPS2 zasilał tylko bypass UPS1, byłby słabo wykorzystany, gdyż praca UPS1 na obejściu (bypass) jest sporadyczna i najczęściej krótkotrwała. Pewnym złagodzeniem tej wady jest zainstalowanie UPS2 o większej mocy znamionowej i wykorzystanie nadwyżki mocy względem UPS1 do zasilania odbiorów drugorzędnych. Na przykład, gdy przyjęto moc znamionową UPS1 równą 200 kVA, a moc znamionową UPS2 400 kVA. Koszt jednostkowy 1 KVA UPS2 będzie niższy niż koszt jednostkowy UPS1, a zatem w takim rozwiązaniu koszt zapewnienia zasilania będzie niższy niż gdyby UPS2 miał moc znamionową również 200 kVA. W tym przypadku dopuszczalna przeciążalność, dla jednostki 400 kVA, będzie większa niż dla jednostki 200 kVA, gdyż stanowi ona określony procent mocy znamionowej (prądu znamionowego) UPS-a.

Systemy magazynowania energii

Metody magazynowania energii są stale rozwijane, co wynika z rosnącego zapotrzebowania na niezawodność i dostępność zasilania. Wyboru najbardziej odpowiedniej technologii magazynowania energii użytkownik dokonuje na podstawie kryteriów technicznych i ekonomicznych. Do podstawowych należą [4]:

Gęstość energii – dostępna energia oraz maksymalna moc na jednostkę objętości lub masy jest istotną daną dla większości zastosowań, lecz najistotniejszą jest dla zastosowań w transporcie i mobilnej komunikacji. Tu masa (ciężar) lub objętość są bezwzględnym ograniczeniem bądź czynnikiem determinującym dla projektowania i osiągów systemu magazynowania.

Czas odpowiedzi – w pewnych zastosowaniach występują bardzo restrykcyjne wymagania dotyczące prędkości, z jaką energia może być uwolniona lub zaabsorbowana. W zastosowaniach w UPS czas kilku milisekund może niekiedy być maksymalnym, akceptowalnym czasem odpowiedzi.

Żywotność – całkowity koszt magazynowania energii jest określony przez początkowy koszt inwestycyjny i przewidywany okres eksploatacji magazynu. Określenie żywotności jest szczególnie ważnym problemem dla systemów magazynowania elektrochemicznego.

Koszty – wyposażenie dodatkowe, wymagane przez niektóre systemy magazynowania energii, określa całkowity koszt systemu i często jest niezależny od jego wielkości. Z tych względów pewne systemy magazynowania są ekonomicznie uzasadnione tylko powyżej minimalnej wartości magazynowanej energii i mocy na wyjściu.

Monitoring – zachowanie niektórych systemów może być monitorowane ze szczególną łatwością i przy niskich kosztach, podczas gdy inne systemy wymagają szczególnego wysiłku dla uzyskania informacji o dostępnej do wykorzystania energii i bezpieczeństwie jej magazynowania.

Sprawność magazynowania energii – proces magazynowania/rozładowywania energii może powodować znaczące straty, specyficzne dla danego zastosowania. Wiele elementów wyposażenia pomocniczego charakteryzuje się stałym poborem mocy, a dodatkowo występujące straty energii, związane są z samą zasadą magazynowania, np. samorozładowywanie się akumulatorów lub straty ciepła do otoczenia. Mogą to być straty bardzo wysokie w odniesieniu do pojemności energetycznej magazynu.

W literaturze najczęściej spotykany jest podział magazynów energii z uwagi na sposób akumulowania energii, który został pokazany schematycznie na rysunku 2. [6]: mechaniczny, elektryczny, termiczny, chemiczny i elektrochemiczny.

Magazyny mechaniczne

Do magazynów energii mechanicznej zalicza się: elektrownie szczytowo-pompowe, sprężanie powietrza i innych gazów oraz kinetyczne magazyny energii, wśród których najbardziej rozwinięte są technologie z masami wirującymi [4, 5].

W przypadku tych pierwszych zasada działania opiera się na pompowaniu wody do zbiornika górnego (położonego wyżej) w okresie niskiego zapotrzebowania na energię, natomiast w celu odzyskania energii wykorzystuje się potencjał spadku wody do niższego zbiornika. Sprawności elektrowni szczytowo-pompowych sięgają 80% i, choć jest to najbardziej rozpowszechniona (pod względem zainstalowanej mocy) metoda magazynowania energii, stosuje się ją głównie do gromadzenia energii rzędu dziesiątek i setek MWh oraz wymaga ona lokalizacji o specyficznym ukształtowaniu [4].

Natomiast kinetyczny magazyn energii zamienia energię elektryczną na energię kinetyczną koła zamachowego [4]. Wartość zgromadzonej energii wzrasta wraz z kwadratem prędkości kątowej wirowania, która jest ograniczona wytrzymałością stosowanego materiału, to technologia, której ogólna zasada działania do budowy koła. Materiały lekkie umożliwiają osiągnięcie wyższych prędkości niż materiały cięższe o tej samej wytrzymałości na rozciąganie i przez to mogą zmagazynować większą ilość energii. Wirniki, zbudowane z kompozytów, wzmocnione włóknami o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i osiągające prędkości do 100 000 obr./min, mogą zmagazynować więcej energii na jednostkę objętości niż wirniki wykonane z wysoko wytrzymałej stali o prędkości 10 000 obr./min (koła zamachowe wolnoobrotowe). Koło zamachowe jest najczęściej sprzęgane z konwencjonalną prądnicą, wytwarzającą energię elektryczną z wyhamowania energii kinetycznej wirującej masy [5].

Koła zamachowe mają duże gęstości mocy i wysokie sprawności oraz z uwagi na brak reakcji chemicznych, nie emitują szkodliwych związków, a czas ich użytkowania nie zmienia zdolności gromadzenia energii. Ponadto pozwalają one na dynamiczny przepływ dużych wartości energii, dzięki czemu nadają się do regulacji częstotliwości zasilania. Wadą kół zamachowych jest ich duży stopień samorozładowania (sięgający 10%/godz.) i wysoki koszt produkcji oraz serwisu układu łożyskowania i sprzęgieł [4].

Magazyny pneumatyczne stanowią jedną z najstarszych form gromadzenia energii, która polega na efektywnym sprężaniu powietrza zazwyczaj w jaskiniach lub kopalniach, choć ostatnio również w specjalnych zbiornikach. Metoda ta, choć charakteryzuje się dużą zdolnością do gromadzenia energii, to posiada szereg wad, z których najważniejsze to: konieczność doboru lokalizacji w sąsiedztwie grot i wyrobisk górniczych oraz niska sprawność, sięgająca 40–70%. Niska efektywność tej metody wynika z przemian adiabatycznych, podczas których należy najpierw podczas sprężania powietrza odprowadzić duże ilości ciepła, a podczas rozprężania służącego odzyskowi energii ponownie zwiększyć temperaturę czynnika [4].

Magazyny elektryczne

Kategoria ta obejmuje przede wszystkim superkondensatory i SEMS.

Superkondensatory osiągają swoje właściwości poprzez gromadzenie ładunków elektrycznych w obrębie podwójnej warstwy elektrycznej powstałej na granicy ośrodków elektroda-elektrolit. Z tego powodu superkondensatory często określane są mianem kondensatorów dwuwarstwowych (ang. Double-Layer Capacitor). To dzięki zastąpieniu klasycznych okładzin kondensatora i stałego dielektryka przez metalowe elektrody powlekane materiałem o dużej powierzchni (z aktywnego węgla), odseparowane cienkim porowatym izolatorem, uzyskano bardzo dobre właściwości. Przede wszystkim superkondensator może przyjmować i oddawać bardzo duże wartości energii w krótkim czasie. Pojemność superkondesnatora zależna jest od powierzchni okładzin, które dzięki porowatemu wykonaniu charakteryzują się znacznie większą wartością niż w tradycyjnych kondensatorach. Ponadto układy te mają dużą gęstość mocy, małą szkodliwość dla środowiska naturalnego, bardzo wysoką sprawność (nawet do 98%), dużą trwałość, sięgającą setek tysięcy cykli ładowania i rozładowania oraz szeroki zakres temperatur pracy. Natomiast ich wadą jest mała gęstość energii (rzędu 10 Wh/kg) oraz wysoka cena [4].

Nadprzewodnikowe magazynowanie energii magnetycznej (ang. Superconducting Magnetic Energy Storage – SMES) to technologia, której ogólna zasada działania polega na tym, że w fazie ładowania energia elektryczna jest magazynowana w postaci magnetycznej za pomocą cewki wytwarzającej silne stałe pole magnetyczne i układu chłodzącego, który utrzymuje cewkę w temperaturze ciekłego helu (4K), aby zminimalizować straty (zjawisko nadprzewodnictwa). W fazie rozładowania SMES uwalnia zmagazynowaną energię za pomocą układu przekształtników mocy [6]. Technologia ta jest stosowana do krótkotrwałego magazynowania energii i oczekuje się, że zyska kluczową rolę w stabilizacji wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych. Zalety SMES to wysoka wydajność i gęstość mocy. Wadą tego typu rozwiązań magazynowania energii jest wysoki koszt budowy i eksploatacji, wysoki współczynnik samorozładowania, wpływ na środowisko wynikający ze stosowania silnych pól magnetycznych oraz duża wrażliwość na temperaturę. Moc urządzeń SMES wynosi najczęściej od 0,1 do 10 kW, a zmagazynowana energia to nawet 100 MWh. Gęstość mocy magazynu energii wynosi od 500 do 2000 (W/kg), a jego żywotność przekracza 20 lat [6].

Magazyny chemiczne i elektrochemiczne

W grupie magazynów chemicznych i elektrochemicznych ze względu na zachodzące procesy wyróżnić można ogniwa paliwowe oraz ogniwa elektrochemiczne (galwaniczne) pierwotne i wtórne. 

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną w wyniku reakcji utleniania paliwa (najczęściej wodoru powstałego w procesie elektrolizy). Ogniwo paliwowe przetwarza wodór ze zbiornika gazu lub z układu reformującego gaz oraz tlen z powietrza atmosferycznego na wodę i generuje prąd w procesie elektrochemicznym. Reakcja elektrochemiczna jest odwracalna, jednak materiały i konstrukcja ogniwa paliwowego muszą spełniać sprzeczne wymagania przy odwracaniu reakcji. Dla magazynowania energii wymagania, typowe dla ogniw paliwowych i elektrolizerów, muszą być połączone w jednym systemie – odwracalnym ogniwie paliwowym. Zamiast wodoru i tlenu można wykorzystać także inne materiały, np. cynk/brom oraz cynk lub tlenek wanadu [5]. Materiały aktywne reagują, gdy istnieje możliwość wymiany protonów przez elektrolit nieprzewodzący elektronów i generują prąd poprzez reakcję elektrochemiczną. Są to akumulatory o przepływie „redoksowym”. Ich sprawność energetyczna może być wyższa niż odwracalnych ogniw paliwowych, ale nadal jest niższa od efektywności energetycznej, osiąganej przez większość akumulatorów. Małe akumulatory typu redox mogą znaleźć zastosowanie w pojazdach elektrycznych, natomiast wersje większe, w zakresie setek MW, znajdują się jeszcze w fazie rozwoju. Celem jest ich wykorzystanie w dużych farmach wiatrowych oraz systemach energii dla wyrównania napięcia z czasem rozładowania do 24 godzin. Materiały stosowane w ogniwach paliwowych i akumulatorach redox są na ogół zagrożeniem dla środowiska i należy przedsiębrać szczególne środki ostrożności przy budowie wielkich zbiorników do magazynowania energii rzędu MW. Odwracalne ogniwa paliwowe i akumulatory typu redox umożliwiają oddzielenie cechy wysokiej pojemności energii od maksymalnej mocy wyjściowej. Ilość zmagazynowanej energii jest określona wielkością zbiornika magazynowania materiałów aktywnych, zaś moc – poprzez powierzchnię elektrod i konstrukcję reaktora. Straty trybu czuwania („stand-by”) są niskie z powodu fizykalnego oddzielenia przechowywanych materiałów aktywnych. Technologia ogniw paliwowych, elektrolizerów oraz akumulatorów typu redox jest w zasadzie opanowana. Nadal trwają badania wpływu temperatury zewnętrznej na eksploatację pomp, zaworów i innych elementów wyposażenia pomocniczego instalacji. Kluczowym problemem w rozwoju ogniw paliwowych jest konstrukcja membran do separacji wodoru [5].

Ogniwa elektrochemiczne, nazywane potocznie akumulatorami, działają na skutek reakcji chemicznej zachodzącej w elektrolicie oraz na jego styku z elektrodami. Do najczęściej stosowanych obecnie rodzajów akumulatorów należą: akumulatory kwasowo-ołowiowe, niklowo-kadmowe, litowo-jonowe i metalowo-powietrzne. Szczegółowy informacje można znaleźć w licznej literaturze, w tym [1, 2, 6].

Magazynowanie termiczne

Stosowane sposoby magazynowania termicznego w postaci ciepła i chłodu klasyfikowane są najczęściej następująco [5]:

magazynowanie aktywne:

• z wykorzystaniem ciepła właściwego ciał (ciepło jawne),
• ciepła przemian fazowych (ciepło utajone, ciepło ukryte),
• ciepła przemian chemicznych i fotochemicznych;
• magazynowanie pasywne w elementach konstrukcyjnych budowli.

Szczegółowe informacje o zasadach działania i możliwościach magazynowania energii znajdują się w publikacjach [5, 6].

Literatura

1. T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną – urządzenia i układy, COSiW SEP, Warszawa 2007.
2. J. Wiatr, M. Miegoń, Zasilanie budynków użyteczności publicznej oraz budynków mieszkalnych w energię elektryczną, „Niezbędnik elektryka” nr 4, Warszawa 2019.
3. K. Kuczyński, Zastosowania specjalne UPS-ów – zagadnienia wybrane, „elektro.info” 9/2011.
4. D. Głuchy, Czynniki warunkujące współpracę magazynów energii z OZE, Poznań University of Technology Academic Journals, Electrical Engineering, no. 87, 2016, s. 191–204.
5. H. Wojciechowski, Technologie magazynowania energii. Cz. I, Instal, 2/2017, s.20–27.
6. A.A. Kebede, T. Kalogiannis, J. Van Mierlo, M. Berecibar, A comprehensive review of stationary energy storage devices for large scale renewable energy sources grid integration, ­Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 159, 2022, s. 112213.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!