Magazyny energii z akumulatorami chemicznymi, ich funkcje w systemie elektroenergetycznym

Energetyka oparta na spalaniu surowców kopalnych znacznie obciąża środowisko naturalne i jest mało efektywna. Z tego powodu współczesna energetyka ma wiele problemów i wyzwań [zgodnie z 1], takich jak:

• ograniczone zasoby surowców energetycznych, niestabilność polityczna w wielu rejonach ich wydobycia,
• szybko rosnące zapotrzebowanie na energię,
• obciążenia środowiska powstające przy wykorzystaniu obecnych technologii wytwarzania energii: emisja gazów i pyłów, podgrzewanie wody w chłodniach elektrowni, zalewanie obszarów przeznaczonych na zbiorniki dla elektrowni wodnych, dewastacja terenów wydobycia surowców kopalnych, itp.
• niska efektywność energetyczna.

Alternatywą mogłaby być energetyka nuklearna, ale ten segment wytwarzania jest obecnie w impasie z powodu obniżenia się zaufania co do jego bezpieczeństwa.

Zmiany klimatyczne powodują występowanie gwałtownych zjawisk pogodowych (coraz częściej występują nawałnice, huragany, potopy i trzęsienia ziemi), a to skutkuje trudnościami w zapewnieniu bezpiecznej pracy reaktorów nuklearnych.

Jak produkcja energii w elektrowni jądrowej może łatwo się wymknąć spod kontroli i jak kataklizm pogodowy może spowodować kataklizm atomowy, pokazała nam awaria w elektrowni jądrowej Fukushima.

Wszystko to sprzyja aktywizacji i rozwojowi źródeł wytwórczych energii pochodzących z energetyki odnawialnej (OZE – Odnawialne Źródła Energii).

W Krajowym Systemie Energetycznym (KSE) instaluje się coraz więcej farm wiatrowych, fotowoltaicznych (solarnych), wdraża się produkcję energii z biomasy, aktywizuje energetykę geotermalną czy biopaliwa.

Odnotowujemy renesans elektrowni wodnych.

Udział źródeł wytwarzania OZE z roku na rok rośnie. W ostatnich latach pod tym względem najlepsze w Europie były Niemcy, gdzie w rekordowym okresie ubiegłego roku prawie 100% produkowanej energii była wytwarzana przez OZE.

Także w Polsce odnotowujemy wzrost produkcji energii ze źródeł energii odnawialnej. Jesteśmy do tego też zobligowani jako kraj Unii Europejskiej i zgodnie z dyrektywami musimy zwiększać udział generacji OZE w bilansie energetycznym.

Te rozporządzenia oraz liczne możliwości dofinansowywania, pożyczek, systemy wsparcia w postaci świadectwa pochodzenia, ułatwienia legislacyjne i administracyjne, pozytywnie wpływają na rozwój OZE w Polsce. Dynamikę tego rozwoju procesu pokazuje rys. 1. [zgodnie z 1].

Polska jest poniżej średniej Unii Europejskiej, ale dynamika wzrostu jest podobna. W ciągu obecnej dekady nastąpiło podwojenie generacji OZE.

Dużą wadą produkcji z odnawialnych źródeł energii jest ich niestabilność i nieprzewidywalność produkcji (związana ze zmianami pogody), charakteryzująca się szybką zmianą mocy w czasie.

Jeżeli zmiana mocy turbozespołu elektrowni konwencjonalnej wystąpi w okresie od kilkunastu do kilkadziesiąt minut, zmiana mocy hydrozespołu to okres kilku minut, to w generacji źródeł OZE możliwa jest sekundowa dynamika zmian:

• zmiana mocy wiatraka lub odłączenie całej farmy to kilka sekund,
• zmiana mocy elektrowni słonecznej to zaledwie efekt kilkunastu milisekund.

Konsekwencją tego zjawiska jest możliwość zachwiania bilansu mocy w systemie elektroenergetycznym, czego skutkiem będzie niestabilna praca układów przesyłowych oraz pojawienie się zakłóceń (fluktuacji w systemie częstotliwości z powodu niezbilansowania mocy czynnej i/lub napięcia z powodu niezbilansowania mocy biernej).

Możliwość eliminacji takich zakłóceń daje nam stosowanie magazynów energii, czyli zasobników, które mogą szybko przyjąć lub oddać do sieci określoną porcję energii.

System Magazynowania Energii (będziemy dalej skrótowo nazywali jako ESS – ang. Energy Storage System), składa się z jednostki magazynującej energię (dalej określimy ją jako ES – ang. Energy Storage), przetwornicy, która w dwóch kierunkach zapewnia przesył energii oraz infrastruktury sterującej, która zarządza pracą takiego magazynu.

Zbiornikiem w magazynie energii może być bateria akumulatorów chemicznych, zbiornik wodny lub masy wirujące.

ESS może spełniać różne funkcje w systemie. Może odgrywać rolę źródła wytwórczego w przypadku zapotrzebowania/niedoboru energii, może być to magazyn energii w okresie małego zapotrzebowania, po to, aby ją oddać w szczycie (i np. uzyskać korzyść ze sprzedaży na giełdzie energii), zasobnik może zapewniać przejście do pracy w systemie wyspowym lub może pełnić funkcję elementu do poprawy jakości energii i pracy operatora systemowego.

W zależności od zainstalowanej mocy, pojemności energetycznej, usytuowania w systemie, magazyny energii możemy podzielić na:

• megaskalowe o mocach kilkuset megawatów lub kilku GW (są to przede wszystkim hydrozespoły, gdzie magazynem energii są zbiorniki wodne);
• wielkoskalowe o mocach od kilkudziesięciu do 100 MW (w tych instalacjach magazynem energii są instalacje ze sprężonym powietrzem „CAES” oraz ciekłym powietrzem „LAES” lub masy wirujące);
• niskoskalowe o mocach od kilkadziesiąt, kilkuset kW do kilku megawatów (w takich instalacjach magazynem energii są akumulatory chemiczne, ponieważ koszty instalacji infrastruktury zbiornika wodnego, infrastruktury sprężonego powietrza czy mas wirujących są zbyt wysokie w porównaniu do magazynowanej mocy).

Magazyny mega- oraz wielkoskalowe to bardzo drogie inwestycje, z tego powodu budują je zazwyczaj operatorzy przesyłowi.

Pojawia się coraz więcej niskoskalowych ESS. Takie systemy jako pierwsze będą instalowane do uzyskania jego odpowiedniej stabilności i poprawy jakości usług operatorów dystrybucyjnych. Instalacje te dobrze się też wpisują w koncepcję energetyki rozproszonej.

W dalszej części artykułu omówimy właśnie takie systemy.

Konfiguracja niskoskalowego magazynu energii

Konfigurację niskoskalowego magazynu energii (ESS), wykorzystującego zasobnik chemicznego akumulatora, przedstawiono na rys. 2.

System składa się z:

a) przetwornicy dwukierunkowej (falownika/prostownika) przekształtnika DC/AC i AC/DC;

b) zasobnika bateryjnego – bateria akumulatorów chemicznych;

c) kontrolera baterii BMS (ang. Battery Management System);

d) programowalnego kontrolera (ang. Programmable Logic Controler), sterownika z algorytmami;

e) układu nadzoru i wizualizacji pracy GUI (ang. Graphic User Interface), jest to narzędzie do nadzoru, kontroli pracy szczególnie popularne w aplikacjach prosumenckich;

f) elementów pomocniczych zapewniających podłączenie do sieci (np. transformatora separującego), elementów pomiarowych prądu i napięcia itp.

Każdy z elementów systemu ESS powinien być wzajemnie skomunikowany i dobrany do charakteru pracy całego systemu oraz jego funkcjonalności.

Wymiana informacji, zarzadzanie pracą urządzeń przebiega po magistrali komunikacyjnej pomiędzy jego elementami, najczęściej wykorzystując protokół CAN-Open.

Przetwornica dwukierunkowa powinna zapewnić przepływ mocy czynnej i biernej w pełnym zakresie, w obu kierunkach (z magazynu do sieci, z sieci do magazynu).

Przetwornica zapewnia kontrolę procesu ładowania i rozładowania baterii elektrochemicznej.

Zasobnik bateryjny odpowiada za magazynowanie energii, czyli kiedy jest to konieczne, zamienia energię chemiczną na elektryczną i oddaje ją do sieci lub odwrotnie przyjmuje energię i magazynuje w postaci energii chemicznej.

Programowalny kontroler jest to sterownik, który na podstawie wprowadzonego algorytmu zarządza przepływem energii w sposób zdalny, lokalny określone działanie urządzenia.

Sterownik powinien w pełni zarządzać pracą wszystkich elementów magazynu. Wprowadzone algorytmy powinny przewidywać możliwe stany i niestabilności sieci, zakłócenia i sterować pracą magazynu.

Układ nadzoru i wizualizacji pracy GUI jest to pomocniczy układ kontroli pracy, bardzo istotny w zastosowaniach prosumenckich (są to aplikacje na telefon, komputer itp.).

W zastosowaniach przemysłowych dane są wysyłane do systemu nadrzędnego (SCADA) ze sterownika przetwornicy dwukierunkowej. Tego systemu nie będziemy szczegółowo omawiać, podobnie jak wykazu elementów pomocniczych zapewniających podłączenie do sieci (dobór tych elementów wynika z projektu wykonawczego).

Magazyn energii (ESS) instalujemy w systemie jak najbliżej pożądanego miejsca zadziałania lub w pobliżu źródła OZE. Jest to przedstawione na rys. 3., gdzie magazyn energii jest zainstalowany w pobliżu farmy wiatrowej (może magazynować wytwarzaną przez nią energię lub może podtrzymać system w przypadku „wypadnięcia” z pracy tej farmy), może oddziaływać na pobliski zakład przemysłowy lub wykonywać funkcje sieciowe w zainstalowanej stacji energetycznej 15/0,4 kV.

Przetwornica dwukierunkowa

Przetwornica dwukierunkowa jest to przekształtnik AC→DC lub DC→AC, którego zadaniem jest kontrola procesu ładowania i rozładowania baterii elektrochemicznej, wymiana energii między siecią elektroenergetyczną a magazynem energii zgodnie z rozkazami otrzymanymi od sterownika.

Przetwornica musi zapewnić odpowiednie parametry napięcia, a w przypadku przeciążenia – odpowiedni prąd szczytowy. Musi mieć zdolność do zapewnienia pracy synchronicznej z siecią energetyczną, a w przypadkach black-out może zapewnić pracę na obszar wydzielony, czyli zdolność pracy zasobnikowej.

W przypadku wypełniania funkcji prostownika bateryjnego przetwornica musi ładować baterię zgodnie z charakterystykami zgodnymi z typem baterii oraz wytycznymi producenta baterii. Powinna naładować baterię maksymalnie szybko, ale też ją chronić. Nie można dopuścić do jej przeładowania.

Należy zapobiegać pojawieniu się w baterii zbyt wysokiej temperatury oraz chronić przed powstaniem procesu rozbiegania termicznego (ang. thermal runaway).

Podsumowując, przetwornica musi mieć możliwość zadawania mocy czynnej i biernej, zapewnić zwrot energii do sieci oraz odpowiednio naładować baterię.

Przetwornica powinna być wyposażona w transformator wyjściowy i zapewnić izolację galwaniczną systemu.

Ważnym elementem tego przekształtnika są jego możliwości komunikacyjne, szczególnie z układem nadzoru baterii (BMS) – jeżeli jest on w baterii zainstalowany.

Odpowiednia komunikacja sterownika przetwornicy z BMS-em bateryjnym chroni baterię i zapewnia prawidłowy przebieg procesu ładowania. W innym przypadku sterownik przetwornicy musi mieć zaimplementowane odpowiednie charakterystyki ładowania. Ponadto jest wymagana pełna komunikacja tej przetwornicy z systemem nadrzędnym (SCADA), łączem cyfrowym i/lub jej integrację ze sterownikami systemu OZE (fotowoltaicznego lub wiatraka).

Bateria akumulatorów chemicznych w magazynie energii

Do najpopularniejszych typów chemicznych akumulatorów wtórnych, które mogą zostać użyte w magazynie energii, należą:

a) akumulatory kwasowo-ołowiowe (ang. lead acid battery; Pb LA),

b) akumulatory niklowo-kadmowe (ang. nickel-cadmium battery; Ni-Cd),

c) akumulatory wodorkowe (ang. nickel-metal hydride battery; Ni-MH),

d) akumulatory litowe (ang. lithium battery; Li-Ion).

Typy akumulatorów stosowanych w ESS zależą od przeanalizowania zależy od przeanalizowania następujących parametrów:

• mocy/prądu (i w jakim czasie), który musi przyjąć bateria,
• mocy/prądu (i w jakim czasie), który musi oddać bateria,
• liczby cykli/żywotności,
• dopasowania technologii do jej lokalizacji, określenie powierzchni do instalacji, wagi itp.,
• ceny zakupu.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe Pb-LA: to baterie znane od dawna i dobrze nadające się do standardowych zadań, tj. zasilanie bezprzerwowe i rozruch. Baterie charakteryzuje niski koszt produkcji, ogólna dostępność i dobra odtwarzalność układu elektrochemicznego. Anodą jest ołów, a katodą tlenek ołowiu. Obie elektrody zanurzone są w wodnym roztworze kwasu siarkowego. Proces chemiczny zachodzący w ogniwie polega na reakcjach red-ox (redukcji i utleniania) ołowiu, tlenku ołowiu oraz kwasu siarkowego, w wyniku których przy rozładowaniu następuje przemiana materiałów aktywnych elektrod w siarczan ołowiu (zasiarczenie), a następnie przy ładowaniu przemiana odwrotna (odsiarczenie).

Ze względu na konstrukcję elektrody dodatniej Akumulatory Pb-LA dzielimy na:

• akumulatory pastowane,
• akumulatory pancerne,
• akumulatory prętowe,
• akumulatory wielkopowierzchniowe.

Ze względu na postać elektrolitu dzielimy je na:

• akumulatory klasyczne (elektrolit płynny, odgazowane swobodne)
• lub akumulatory z rekombinacją gazu (elektrolit uwięziony, odgazowanie przez zawór).

Akumulatory Pb-LA (każdego typu) mają kilka wad, które w większości przypadków eliminują możliwość stosowania ich w ESS. Tego typu akumulatory:

• nie zapewniają przepływu dużych porcji energii w obu kierunkach ładowania/rozładowania;
• w porównaniu z innymi technologami mają niską żywotność w pracy cyklicznej pełnego rozładowania/ładowania.

Dużą zaletą jest niska cena za kWh.

Podstawową dysfunkcyjnością technologii akumulatorów Pb-LA jest brak możliwości przyjmowania w krótkim czasie dużej energii.

Akumulatory kwasowe możemy ładować prądami o wartości (0,1–0,3) C, gdzie C – prąd rozładowania jednogodzinnego liczbowo równy jest pojemności. Podczas gdy wymagania magazynu to zazwyczaj konieczność przyjęcia energii na poziomie co najmniej (1–3) C lub więcej – a więc jest to co najmniej 10 razy więcej niż może przyjąć akumulator Pb-LA.

Aby w takim układzie zastosować akumulatory Pb-LA, trzeba go przewymiarować pojemnościowo 10 razy, co jest oczywistym absurdem. Ta wada praktycznie eliminuje baterie kwasowo-ołowiowe z tych rozwiązań.

Ograniczenia prądu ładowania dla baterii Pb-LA wynikają z faktu, iż na każdym etapie ładowania należy tak dobrać prąd i napięcie, aby nie dopuścić do przegrzania połączeń wewnątrz ogniwa.

Zjawisko generowania ciepła w akumulatorach Pb-LA (przy metodzie ładowania stałoprądowej) opisano w [2].

Kolejnym parametrem baterii kwasowo-ołowiowych, który jest nie do zaakceptowania w magazynie energii, jest ich słaba odporność na cykle ładowania/rozładowania. Akumulatory z dodatnią płytą pastowaną mają cykliczność na poziomie maks. 1000 cykli, co powoduje, że przy pełnym zadziałaniu raz dziennie ich żywotność byłaby 3-letnia.

Do innych wad należy wymienić:

• akumulatory Pb-LA zajmują dużo miejsca;
• wymagają okresowych rozładowań kontrolnych, ładowań wyrównawczych i innych czynności eksploatacyjnych;
• szybko tracą pojemność w podwyższonych temperaturach, trzeba stosować klimatyzację.

Bateria akumulatorów chemicznych w magazynie energii cd.

Akumulatory niklowo-kadmowe Ni-Cd: to baterie, gdzie elektrodą dodatnią jest wodorotlenek niklu, elektrodą ujemną jest mieszanina kadmu i żelaza. Elektrolit stanowi wodny roztwór wodorotlenku sodu lub potasu.

W stosunku do ogniw Pb-LA mają wiele zalet: większą trwałość, niewielkie wymogi co do obsługi i dobrą charakterystykę w niskich temperaturach. Nie zapewniają natomiast możliwości naładowania ich prądami kilku C oraz nie mają też cykliczności na poziomie kilku tysięcy. Są też stopniowo wycofywane z rynku ze względu na zawartość bardzo toksycznego kadmu. Poza tym są dwukrotnie droższe w przeliczeniu kWh w stosunku do ogniw Pb-LA.

Akumulatory wodorkowe Ni-MH. Zasadniczą różnicą w tej technologii akumulatorów w porównaniu z poprzednimi technologiami jest natomiast zastosowanie jako elektrody ujemnej stopów metali, które, wykorzystując elektrolizę wody, mogą absorbować wydzielany wodór, który jest wiązany chemicznie w postaci wodorków.

Na skutek rozładowania takiego nasyconego wodorem stopu, wodorek metalu rozkłada się na metal i jony wodorowe i następuje uwolnienie elektronów. Z tego powodu nie ma tu emisji gazów. Ta technologia charakteryzuje się brakiem możliwości naładowania prądami o wartości kilku C oraz brakiem cykliczności na poziomie kilku tysięcy.

Akumulatory typu Li-Ion. Anodę w nich stanowi materiał węglowy (najczęściej grafit). Materiał katodowy są to związki interkalowane litem. Elektrolit to roztwory soli litu w rozpuszczalnikach organicznych. Elektrolity mogą być ciekłe, ceramiczne, szkliste lub polimerowe.

Działania ogniw litowo-jonowych opiera się na zjawiskach interkalacji i deinterkalacji. Interkalacja jest to zjawisko wbudowywania się w strukturę krystaliczną ciała stałego elektrod jonów litu bez zmian tej struktury. Jony litu wchodzą w przestrzenie międzyatomowe kryształu.

Podczas procesu rozładowania ogniwa (przy dostarczaniu energii do obwodu elektrycznego) jony litu na anodzie ulegają deinterkalacji, opuszczają strukturę krystaliczną anody. Następnie dyfundują w elektrolicie w kierunku katody i interkalują do materiału katody.

Migracja jonów Li+ pomiędzy elektrodami powoduje obniżenie energii układu i równoczesny przepływ elektronów w obwodzie zewnętrznym akumulatora.

Podczas ładowania zachodzą procesy odwrotne. Pod wpływem różnicy potencjałów (przyłożenie do elektrod zewnętrznego źródła napięcia), na elektrodzie dodatniej następuje reakcja elektrochemiczna, w wyniku której lit ulega utlenieniu do jonu litu Li+. Reakcji tej towarzyszy deinterkalacja jonów Li+ z materiału katody i ich migracja przez elektrolit i interkalacja do anody. Szczegółowo przedstawia to praca [3].

Największym wyzwaniem w konstrukcji wszystkich systemów litowych jest znalezienie optymalnej współzależności pomiędzy materiałami katodowymi i anodowymi, które determinują parametry funkcjonowania ogniw, takie jak: napięcie, pojemność, odwracalność reakcji ładowania/rozładowania oraz stabilność chemiczna.

Materiały elektrodowe muszą nie tylko odpowiednio współpracować ze sobą, lecz wspólnie z elektrolitem i separatorem tworzyć układ synergistyczny.

Potencjalne możliwości osiągnięcia większej mocy w ogniwach Li-Ion tkwią w głównej mierze w doskonaleniu materiału katodowego i anodowego. Cały czas trwają więc intensywne prace nad modyfikacją znanych dotychczas układów, jak również poszukiwane są nowe, aktywne materiały, które pozwolą na obniżenie kosztów, poprawę parametrów oraz bezpieczeństwa pracy akumulatorów.

Od kilku lat te prace zaowocowały skomercjalizowaniem technologii i produkcją powtarzalnych, pewnych ogniw.

Obecnie najpowszechniej (ze względu na skład chemiczny elektrod) są stosowane następujące typy ogniw litowych:

NMC – katoda jest zbudowana z tlenków litowo-niklowo-kobaltowych, anodą jest grafit;

LMO – katoda jest zbudowana z tleneków litowo-magnezowych, anodą jest grafit;

LFP – katoda jest zbudowana z tlenków litowo-żelazowych, anodą jest grafit;

LTO – katodą jest tlenek litowo-kobaltowy, anodą jest grafit z tlenkiem litowo-tytanowym.

Technologia akumulatorów Li-ion jest droższa, ale nie ma wad charakterystycznych dla innych technologii i dobrze obsługuje wymagane przez ESS funkcje.

Cena za KWh baterii Li‑ion jest 3–5 krotnością ceny poprzednich technologii.

Baterie li‑ion muszą być wyposażone w system kontroli nadzoru i zarządzania określany jako BMS (ang Battery Management System). Układ ten zapewnia kontrolę napięć na poszczególnych ogniwach (z rozdzielczością +/–1 mV), prądu ładowania, kontrola temperatur (z rozdzielczością do 1°C). Odpowiada on za efektywne wykorzystywanie dostępnej pojemności baterii, wykonanie procesu wyrównywania parametrów ogniw (balancing pasywny lub aktywny).

BMS zapewnia bezpieczeństwo pracy baterii, kontrolowanie parametrów akumulatorów i zabezpieczenie przed ich awarią.

Każda technologia akumulowania energii zawsze będzie wprowadzała zagrożenie niekontrolowanego jej uwolnienia. Jednakże przy zastosowaniu akumulatorów Li-ion niebezpieczeństwo pożarowe znacząco wzrasta ze względu na palność litu i jego trudne gaszenie. Z tego powodu ważna jest dobra instalacja baterii i zastosowanie bardzo dobrego BMS. Większość awarii baterii li-ion to wynik błędów instalacyjnych, nieprawidłowego działania BMS, a nie błędów ogniw czy technologii.

W tab. 1. zestawiono parametry przedstawionych powyżej technologii baterii akumulatorów

Dla doboru zasobnika akumulatora w magazynie energii są niezbędne następujące elementy:

• wysokie napięcie nominalne,
• duża pojemność i energia właściwa,
• wysoka sprawność energetyczna,
• możliwość przepływu dużych wielkości energii w obu kierunkach (to jest ładowania i rozładowania),
• duża liczba cykli,
• długa żywotność,
• szeroki zakres temperatur pracy.

Z powyższego wynika, że akumulatory litowo-jonowe są aktualnie jedną z czołowych technologii magazynowania energii chemicznej, która jest najbardziej dopasowana technologicznie do funkcji spełnianych przez baterie ESS. Tylko te akumulatory zapewniają wysoki przepływ mocy (ładowania/rozładowania) w obu kierunkach, wysoką liczbę cykli, wysoką żywotność, wysoką gęstość energii i bardzo szeroki dopuszczalny zakres temperatur.

W grupie baterii litowych wybór ich pod technologię (NMC, LFP, LTO) zależy już od szczegółowych wymagań dla magazynu.

Baterie Pb-LA, Ni-Cd Ni-MH są stosowane rzadziej w tych aplikacjach.

Jeżeli zadaniem magazynu energii jest wspomaganie np. pracy farmy fotowoltaicznej, to można zastosować ogniwa Pb-LA lub Ni-Cd, bo w takich aplikacjach wymagany prąd ładowania akumulatora jest poniżej 0,5C.

Są przykłady zastosowania baterii Ni-Cd także w zastosowaniach magazynu energii spełniających funkcje pracy sieciowej (w tym obszarze zastosowań za zastosowaniem akumulatorów Ni-Cd przemawia zdecydowanie niższa cena niż baterii Li-Ion oraz ich duża odporność na warunki temperaturowe i większa żywotność).

Sterownik magazynu energii oraz realizowane przez niego funkcje

Sterownik magazynu energii zwykle realizuje swoje zadania poprzez blok wyznaczania mocy czynnej, blok wyznaczania mocy biernej (na podstawie pomiarów w polu transformatora) oraz blok wyboru trybu pracy (automatycznej, zdalnej i lokalnej).

Zasobnik jest cały czas włączony, o przepływie mocy decydują wielkości zadane mocy chwilowej czynnej Pi oraz biernej Qi. Algorytm sterownika na podstawie danych historycznych zarejestrowanych w poprzednich okresach oraz na podstawie bieżącego stanu obciążeń i baterii, określa wartości zadane mocy chwilowej. Gdy Pi, Qi = 0, układ pracuje w trybie tzw. gorącej rezerwy.

Algorytm realizuje oczekiwane funkcje, jest tam zaszyty scenariusz działania układu.

Generalnie funkcje systemowe magazynów energii powinny skutkować zbilansowaniem energii wytworzonej do odbieranej. Szczególnie gdy na poziomie operatora OSD mamy w systemie zainstalowany znaczący udział generacji z OZE.

Obecnie występuje przesuwanie odpowiedzialności za regulację i jakość systemu z Operatora Systemu Przesyłowego (OSP) na Operatora Systemu Dystrybucyjnego (OSD).

Jakość dostaw energii opomiarowana jest współczynnikami SAIDI i SAIFI (SAIDI z ang. System Average Interruption Frequency, wskaźnik przeciętnej systemowej częstości przerw długich w dostawie energii, współczynnik niezawodności stanowiący liczbę odbiorców narażonych na skutki wszystkich przerw w ciągu roku, podzieloną przez łączną liczbę obsługiwanych odbiorców; SAIFI z ang. System Average Interruption Frequency, wskaźnik przeciętnej systemowej częstości przerw w dostawie energii, współczynnik niezawodności stanowiący liczbę odbiorców narażonych na skutki wszystkich przerw w ciągu roku, podzieloną przez łączną liczbę obsługiwanych odbiorców (zgodnie z [5] – wikipedia.org/wiki/SAIDI; wikipedia.org/wiki/SAIFI).

Wymusza to na operatorach OSD regulację profilu obciążenia, redukcję obciążeń szczytowych, skrócenie przerw w dostawach energii, regulację mocy biernej, regulację napięcia i częstotliwości oraz redukcję strat sieciowych.

Realizując te zdania, sterownik magazynu energii może wykonywać funkcje redukcji obciążeń szczytowych, regulacji profilu obciążenia, kompensacji zaników, zapadów napięcia po stronie odbiorów i kompensacji mocy biernej.

W przyszłości zapowiadana jest zmiana koncepcji działania operatorów dystrybucyjnej i spełnianie przez operatora funkcji nie tylko efektywnego przesyłu energii, ale także możliwości zarządzania popytem. Jest to filozofia wprowadzenia inteligentnych sieci (smart grid) i wprowadzenia programów DSM (Demand Side Management) lub DSR (Demand Side Response). Jest to idea elastycznego zarządzania zużyciem energii elektrycznej skoordynowanego z popytem jej wykorzystywania przez odbiorców. W takich systemach magazyny energii są niezbędne i są podstawowym elementem systemu elektroenergetycznego.

Poniżej przedstawiamy, jak magazyn energii realizuje funkcję redukcji obciążeń szczytowych (z ang. peak saving). Tę funkcjonalność pokazują przebiegi na rys. 4. i rys. 5.

• Na rys. 4. magazyn został dobrany na optymalną moc. Jego zadaniem jest częściowe ścięcie plików i zapadów w profilu obciążenia. Przebieg niebieski jest to profil obciążeń w sieci bez zasobnika, profil żółty przebieg pracy układu z zasobnikiem. Nadal występują fluktuacje, ale zostały one mocno ograniczone.
• Na rys. 5. magazyn został dobrany na pełną moc, tak by przebieg obciążeń doprowadzić do przebiegu stałego profilu obciążenia. Przebieg niebieski jest to profil obciążenia sieci bez zasobnika, profil pomarańczowy to profil z zasobnikiem. W takiej konfiguracji nie występują fluktuacje przebiegu obciążenia. W tym przypadku moc zastosowanego magazynu będzie wielokrotnie większa niż opisanego wcześniej.

Podsumowanie

Magazyny energii obecnie są wprowadzane i testowane w różnych obszarach Krajowego Systemu Energetycznego. Operatorzy oceniają funkcjonalność magazynów jako element regulacyjny oraz badają skuteczność ich pracy dla stabilizacji systemu, oraz poprawy jakości energii i usług przesyłowych w sieciach dystrybucyjnych.

Na pewno magazyny energii odegrają dużą rolę w integracji OZE w przypadku dużego wzrostu udziału tej generacji w systemie.

W przypadku wprowadzania koncepcji sieci inteligentnych magazyny energii są niezbędnym elementem technologicznym w takim systemie. Współczesna technologia akumulatorów chemicznych i energoelektronika pozwalają na budowę ciekawych i „szytych na miarę” rozwiązań. Z tego wynika, że magazyny energii będą wprowadzane do systemu energetycznego, a ich rola będzie z roku na rok rosła.

Literatura:

1. Praca zbiorowa pod redakcją Urszuli Gołębiowskiej, „OZE Odnawialne Źródła Energii” - materiał wspierający realizację programu „Odnawialne Źródła Energii”, Koszalin, 2013, ISBN : 978-83-62621-08-8;
2. D. Berendt, “Maintenance–Free Batteries”, 2ed edition. Research Studies Press Ldt. 97
3. Maciej Siekierski, Michał Kalita, Piotr Moszczyński, mgr inż. Katarzyna Nadara, „Elektrochemiczne źródła i magazyny energii elektrycznej”, Konferencja naukowo-techniczna, X Międzynarodowa Konferencja „Nowoczesne urządzenia zasilające w energetyce”, 2007.
4. Mieczysław Nowak, Nowe rodzaje baterii elektrochemicznych i super-kondensatory – perspektywy zastosowania w energetyce, X Międzynarodowa Konferencja „Nowoczesne urządzenia zasilające w energetyce”, 2007
5. Wikipedia (wikipedia.org/wiki/)

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!