Системы хранения электроэнергии

Системы хранения электроэнергии

Развитие солнечных и ветровых электростанций тесно связано с технологиями хранения электрической энергии, которые обеспечивают бесперебойное питание потребителя.

Системы хранения электрической энергии — это стремительно развивающийся класс высокотехнологичного оборудования, открывающий принципиально новые возможности развития энергетического инжиниринга.

Они делают электроэнергию запасаемой и «переносимой», что устраняет необходимость строгой одновременности процессов производства и потребления.

Эти технологии обеспечивают бесперебойное питание в случае критического падения, понижения или полного отсутствия напряжения в электрической сети.

Мировая электроэнергетическая отрасль следует технологическому принципу, который заключается в равновесии уровня производства и потребления. Инновационная технология, которая позволяет отделить производство от потребления — это система хранения электрической энергии.

Эта технология полностью меняет всю систему диспетчеризации, соотношение традиционной и альтернативной электроэнергетики.

Увеличение количества электроэнергии, производимой из возобновляемых источников энергии (ВИЭ), поставило новые задачи перед электрическими сетями, которые уже работают в условиях повышенной нагрузки.

Современные системы электроснабжения должны всегда уравновешивать спрос и предложение, демонстрируя гибкое управление и оптимальную энергоэффективность.

Растущее использование ВИЭ создает новый источник нестабильности.

Внедрение солнечных и ветровых электростанций по всему миру сопровождается значительными пиками и спадами производства электроэнергии. Системы хранения сглаживают неравномерное производство электроэнергии и снижают скорость изменения мощности средних и крупных установок, использующих солнечную и ветровую энергию.

Таким образом, эти системы обеспечивают стабильный уровень выходной мощности и делают ВИЭ предсказуемым компонентом электросети.

Использование той или иной системы накопления электроэнергии (ESS) зависит от множества технических и экономических факторов.

С технической точки зрения любая ESS представляет собой сложную многокомпонентную систему с несколькими потенциальными способами преобразования энергии. Каждый этап этого процесса осуществляется с помощью хорошо стандартизированных компонентов, таких как трансформаторы, системы преобразования энергии и новые типы электрохимических аккумуляторов.

В настоящее время существует несколько видов технологий хранения электроэнергии.

Среди примеров данных систем можно назвать гидроаккумулирующие электростанции, химические источники электроэнергии, системы хранения на основе маховиков, водорода, а также синтетического природного газа.

Преимущества систем хранения электрической энергии

Во всем мире растет количество ветряных и солнечных электростанций, а с ним увеличивается и относительная доля возобновляемых источников энергии в энергетическом балансе.

Характерные для них колебания выработки энергии могут привести к перегрузкам электросети и нестабильности частоты тока. Интеграция системы хранения электроэнергии с возобновляемыми источниками энергии направлена на сглаживание воздействия неравномерной генерации на электросеть.

Балансировка распределительной сети традиционно достигается за счет увеличения генерации для удовлетворения потребностей в энергии. Но этот подход отрицательно сказывается как на эффективности, так и на сроке эксплуатации оборудования.

Этой меры не всегда достаточно, особенно по мере роста производства возобновляемой энергии.

Подключенные к электросети ESS преодолевают эти ограничения, обеспечивая важный «буфер», который отделяет потребление от генерации электроэнергии. Это увеличивает эффективность системы и сокращает выбросы СО₂.

Составные части системы хранения электроэнергии

Современные решения по хранению энергии включают несколько ключевых компонентов для функционирования системы.

В основе системы лежит устройство, в котором происходит сам физический процесс накопления энергии. В большинстве случаев такой процесс основан на электрическом (конденсаторы), электрохимическом (аккумуляторные батареи) или механическом (маховики) принципах работы.

Как правило, ESS, подключенные к сети, требуют установки преобразователя мощности, который может представлять собой одиночную или распределенную преобразовательную систему. В остальных случаях к сети посредством регулятора частоты или напрямую подключается мотор-генератор.

Для прямого подключения преобразователь мощности не требуется или же используется для генерации напряжения возбуждения. В большинстве случаев между электросетью и системой хранения электрической энергии устанавливается трансформатор.

Состояние физического накопителя энергии контролируется системой управления батареями (BMS) или системой управления конденсаторами (CMS). Она считывает все необходимые данные, такие как значения напряжения, тока и температуры для батарей и литий-ионных конденсаторов, скорость и температуру маховика и другие параметры.

Электронное оборудование определяет, когда и в какой степени ESS будет заряжаться или разряжаться. В зависимости от функциональности это можно сделать локально с минимальным временем отклика (миллисекунды и меньше) на основе локально измеренных данных (например, тока, напряжения, мощности, частоты) или в рамках внешней системы управления энергопотреблением, подключенной к цифровому протоколу.

Для функционирования таких систем необходимо несколько периферийных компонентов.

В зависимости от физического принципа работы системы хранения электроэнергии, они могут включать специальные охладительные системы и насосы.

Потребление энергии со сдвигом во времени

Системы хранения электроэнергии, используемые для этой задачи, заряжаются по низким тарифам на электроэнергию и разряжаются, когда цены на электроэнергию высокие.

За более короткий период времени они могут выполнять аналогичную задачу, накапливая энергию, генерируемую из возобновляемых источников и характеризующуюся нестабильной производительностью. Если разница в тарифах на электроэнергию является ведущим фактором, применение таких систем выглядит привлекательным.

Накопление энергии в режиме зарядки в моменты пиковой мощности для предотвращения перегрузки называется «пиковым сбросом» (peak shaving). Этот подход может применяться как при пиковой генерации электроэнергии, так и при пиковом потреблении (в случаях неизбежной перегрузки).

Используемые таким путем системы накопления электроэнергии могут быть расположены на электростанциях, рядом с ней или в других частях сети, в том числе на источнике нагрузки.

Другой вариант применения этой технологии — накопление энергии для отсрочки и уменьшения потребности в строительстве новых генерирующих мощностей. Системы хранения энергии обеспечивают поддержание пиковой мощности при высоком потреблении, облегчая работу генераторов.

Затем система перезаряжается в период низкого потребления.

Контроль и регулирование нагрузки

Отслеживание нагрузки — одна из вспомогательных задач для обеспечения стабильности электросети.

Системы накопления энергии в этом случае используются для подачи (разряда) или накопления (зарядки) электрической энергии при изменении нагрузки.

При этом скорость изменения нагрузки в электросети должна находиться в определенных пределах. То же относится к колебаниям производства электроэнергии, которые особенно характерным для возобновляемых источников.

Преимущества использования систем накопления энергии для контроля нагрузки состоят в том, что они могут работать при частичной нагрузке с относительно небольшим снижением производительности и быстро реагируют на изменения нагрузки.

Эти технологии применяются для устранения мгновенных различий между потреблением и выработкой энергии в определенной зоне или же для компенсации мгновенных отклонений в обмене потоками энергии между двумя зонами.

Традиционные электростанции также подходят для этого, поскольку быстрые изменения в производстве энергии приводят к значительному износу оборудования.

Использование ESS в передаче и распределении энергии

Правильно расположенные системы хранения электроэнергии в пределах инфраструктуры передачи могут служить энергетическим буфером, уменьшая перегрузку и помогая бизнесу отсрочить дорогостоящие мероприятия по модернизации электросети.

При пиковом потреблении имеющиеся линии электропередачи могут не обслуживать всех подключенных потребителей. Перегрузка сети может увеличить затраты на электроэнергию.

Системы накопления энергии позволяют компенсировать это.

Установка ESS после перегруженного узла может отсрочить необходимость модернизации линий электропередач на определенный период, например, на несколько лет. Такие системы могут использоваться аналогичным образом в распределительных сетях, обеспечивая отличную альтернативу замене основных компонентов.

Источник: ESFC Investment Group: Технологии хранения электрической энергии