Streszczenie: artykuł przedstawia 3 różne zastosowania Magazynu Energii SIESTORAGE jako nowoczesne panaceum na dotrzymanie przewidywanych mocy wytwarzania, zachowanie wysokich parametrów jakości energii, ciągłości zasilania przy szeregu korzyściach bieżących w sieciach rozdzielczych XXI wieku. Następnie jest budowa typowego magazynu SIESTORAGE i przegląd funkcji w różnych aplikacjach.
Zastosowanie odnawialnych źródeł energii na masową skalę, prowadzi do nowych wyzwań w zarządzaniu stabilnością sieci rozdzielczej, spowodowanych zróżnicowaniem elektroenergetycznych sieci rozdzielczych, miejsc przyłączenia nowych źródeł, a także spowodowanych zmiennością rozpływów mocy w dotychczas jednokierunkowej sieci rozdzielczej.
I. Współpraca magazynu energii z odnawialnymi źródłami wytwarzania
Nowoczesne sieci energetyczne wymagają zrównoważenia elementami takimi jak SIESTORAGE, które magazynują energię elektryczną podczas nadmiernej produkcji, a w razie zbyt niskiej produkcji (mało wiatru lub promieni słonecznych) dostarczają energię. Dzięki temu można lepiej wypełnić zobowiązania kontraktowe, oraz zmniejsza się prawdopodobieństwo występowania zakłóceń spowodowanych przez zmienne wytwarzanie i obciążenia oraz poprawia warunki pracy bloków systemowych – tradycyjnych generatorów. Zasilanie ze źródeł rozproszonych może spowodować efekt odwrotnego rozpływu mocy, który może uszkodzić tradycyjne sieci – nieprzewidziane do wielokierunkowych przepływów.
Przykład 1 realizacji EDP Portugalia Evora:
- Magazyn energii 472 kW / 360 kWh
- 8 szaf baterii,
- 4 przekształtniki trójfazowe
- Cel inwestycji: zasilanie awaryjne, regulacja napięcia,
zarządzanie obciążeniem versus taryfa - W pełni skonteneryzowany
- Rozwiązanie kompleksowe
II. Zrównoważenie mikrosieci elektroenergetycznej i wyspowego systemu wydzielonego
Mikrosieci (ang microgrids) możemy określić jako wydzielone obszarowo skupiska wytwarzania (w tym cieplnego) , magazynowania energii oraz jej odbiorów, czyli zużycia. Przy czym wydzielenie może obejmować zakład przemysłowy, obiekt infrastrukturalny, a w końcu – geograficznie np. wyspę. Istnieją w dwóch formach – z lub bez połączenia z większym systemem przesyłowym. Głównymi cechami są samowystarczalność i zdolność do autonomicznego działania.
Po stronie wytwarzania, źródła odnawialne są zazwyczaj powiązane z generatorami zasilanymi paliwami kopalnianymi. Używane do równoważenia niestabilnych źródeł odnawialnych, generatory często muszą pracować w sposób nieefektywny generując większe koszty i emisję.
SIESTORAGE umożliwia agregatom diesla lub turbinom gazowym pracę z optymalną wydajnością, dostarczając energię i ładując baterie. W sytuacji przemijającego niskiego zapotrzebowania, SIESTORAGE przejmuje rolę źródła mocy, chroniąc awaryjne generatory przed pracą krótkotrwałą. Współpracując z generatorami SIESTORAGE zapewnia stabilizację parametrów takich jak częstotliwość i regulacja napięcia. Może być źródłem do podniesienia systemu zasilania w sytuacjach awaryjnych takich jak Black start po całkowitej zapaści sieci.
Przykład 2 realizacji : ENEL wyspa Ventotene, Włochy
SIESTORAGE Elektrochemiczny system magazynowania energii wraz z sterownikiem mikrosieci do:
- Kontroli systemu magazynowania, zwiększenia wydajności źródeł energii odnawialnej, optymalizacje pracy silnika diesla dla maksymalnej wydajności paliwa i trwałości silników przy zminimalizowanej obsłudze
- 500 kW / 600 kWh
- Zapewnienie stabilizację sieci, przyczyniając sie do zrównoważenia podażu i popytu i zmniejszenie niestabilności spowodowanej zmianami obciążenia i nieprzewidywalnymi wahaniami mocy generowanych przez zdecentralizowane
III. Podniesienia bezpieczeństwa energetycznego i niezawodności zasilania zakładów przemysłowych.
Koszty energii elektrycznej są ważnym czynnikiem rachunku zysków-i-strat dla dużych kombinatów i zakładów przemysłowych. Koszty i opłaty zależą od czasu użytkowania, oraz wypełnienia scenariuszy i planów poboru mocy. Może się zdarzyć zdalne odłączenie zakładu np. w sytuacji skrajnie dużego przekroczenia planowanych obciążeń lub przy ratowaniu bilansu systemu elektroenergetycznego ( redukcji stopni zasilania).
Magazyny energii można zastosować nie tylko do oczekiwania na przekroczenia, ale przy zróżnicowanych porach taryfowych – do redukcji kosztów energii przez cykliczne oddanie do sieci energii w porze szczytu. Możliwe jest interwencyjne oddanie energii, chroniące zakład przemysłowy przed opłatami za przekroczenia mocy.
Aby zapewnić niezawodne zasilanie, odbiorcy przemysłowi często wykorzystują indywidualne środki stabilizacji sieci. Połączenie zdolności oddawania/pobierania mocy czynnej i biernej daje SIESTORAGE idealne rozwiązanie dla stabilizacji pracy dużych konsumentów. Dla przemysłu, SIESTORAGE podnosi dostępność energii elektrycznej i wydajność parku maszynowego przy jednoczesnym utrzymywaniu kosztów pod kontrolą. Dzięki zdolności Black startu, SIESTORAGE skraca przerwy w zasilaniu, a zatem minimalizuje koszty produkcji w przypadku odcięcia zasilania.
Przykład 3 realizacji : Huta ArcellorMittal. Spółka lokalnej gospodarki mediami energetycznymi VEO, Vulkan Energiewirtschaft Oderbrücke GmbH, Niemcy:
Moc zainstalowana : 2.8 MVA / 1.2 MW, Pojemność : 720 kWh
- Misja projektu : Zapewnić zasilanie hucie Arcellor Mittal w czasie wyłączenia wszystkich linii zasilających 110 kV
- Współpraca z przemyslową elektrocieplownią VEO w zakresie:
a) Przełączenie na pracę wydzielonej sieci w czasie zaniku systemu zasilającego oraz
b) Rozruch awaryjny tzw Black start rezerwowych turbin gazowych
- Stabilizacja systemu ( częstotliwość, napięcie)
- Zarządzanie obciążeniem szczytowym ( system zarządzania energią )
IV. Opis systemu
Bateria
SIESTORAGE jest modułowym systemem magazynowania energii bazującym na technologii baterii litowo-jonowej..
Za pomocą technologii SIESTORAGE moc czynna może być wymieniana pomiędzy średnim magazynem energii i siecią. Dodatkowo może być używana do zapewnienia mocy biernej do stabilizacji napięcia sieci.
Sterowanie i zarządzanie
SIESTORAGE pracuje z jednym sterownikiem centralnym, składającego się z systemu działającego w czasie rzeczywistym do szybkiego sterowania napięciem, prądem, częstotliwością i mocą. Znany, bezpieczny i niezawodny SIMATIC S7 zapewnia zarządzanie sterowaniem.
SIMATIC HMI wizualizuje aktualny stan, ostrzeżenia i alarmy i jest w stanie wykazać analizę trendów danych dla pewnych wartości. Wszystkie istotne informacje mogą być przechowywane do poźniejszej analizy. Opcjonalnie dostępna jest również obsługa za pomocą zdalnego dostępu.
Jednostka sterująca SIESTORAGE (SCU) jest rzeczywistym systemem akwizycji danych i systemem sterowania. Dokonuje pomiarów, nagrań i analiz wielu sygnałów takich jak napięcie zmienne i moc (POI) do sieci, status jednostki akumulatora, temperatury i urządzeń przełączających. SCU obsługuje sterowanie algorytmami otrzymanych z sterownika typu master SIESTORAGE, który jest regulowany przez klik lik systemu SCADA lub operatora.
Konfiguracja
Pozostałymi elementami systemu prefabrykowanego magazynów energii SIESORAGE są : tyrystorowe przekształtniki mocy, oraz część średniego napięcia : transformatory nn/SN i rozdzielnica SN. SIESTORAGE cechy I zalety
Elastyczna konfiguracja obejmująca wszystkie zastosowania systemu magazynowania energii
- Przekształtniki systemu zasilania(PCS) sprzęt I oprogramowanie opracowane specjalnie do zastosowań BESS
- Sieć tworząca pracę równoległą z energetyką wiatrową, solarną i dieslem
- Zdolność do Black startu
- Wysoka dynamika systemu: regulacja napięcia POI <10ms
- Wysoka moc zwarcia (2..3x moc znamionowa)
- Wybór różnych interfejsów komunikacyjnych zewnętrznych (IEC 61850, IEC 60870-5-104, DNP3 i inne)
V. Magazyny w realiach rynkowych.
Różnorodność aplikacji oraz spełnianych zadań przez Magazyn Energii SIESTORAGE
Europa jest na etapie kodyfikowania grup funkcji magazynów. W kilku krajach o rozwiniętych instalacjach rozproszonego wytwarzania w oparciu o odnawialne źródła energii możemy zaobserwować prace nad konsensusem wymagań stawianym magazynom energii :
- Usługi w Strefach/porach Taryfowych
- Usługi wspierające Wytwarzanie
- Usługi sieciowe Operatorskie w Przesyle i Dystrybucji
- Usługi w Energetyce Przemysłowej
Usługi w taryfach zróżnicowanych, przy rynku usług stron trzecich :
A. Magazyn Energii ESS w systemie o rozpiętości cenowej w porze szczytu i poza szczytem.
Magazyn jest ładowany energią w porze tańszej i rozładowwywany w porze szczytowej, lub przy wysokiej cenie energii.
B. Magazyn Energii ESS jako zródło przy zapotrzebowaniu szczytowym
Magazyn jest utrzymywany w stanie naładowanym do czasu pojawienia się obciążenia sieci o wartości szczytowej. Bierze udział w zbilansowaniu sieci w stanach wysokiego obciążenia.
C. Magazyn Energii ESS skojarzony z odnawialnym źródłem energii.
Magazyn pełni rolę buforowego uzupełnienia wytwarzanej mocy między chwilową mocą wytwarzaną z instalacji ( technologicznej np. fotowoltaicznej a zgłoszoną mocą kontraktową
| Funkcja | Spotykany zakres mocy | Zakres czasu ładowania | Liczba cykli w roku | Wymagany czas odpowiedzi |
| A | 0-500 MW | 2-6 godz. | 200 – 400 | 1 minuta |
| B | 0-500 MW | 2-6 godz | 50 , 365 | Kilka minut |
| C | 0-500 MW | 1/4h – 6 godz | 10 000 | 0,1s |
Magazyny energii wspierające wytwarzanie:
D. Podążanie za trendem obciążenia systemu.
Magazyn Energii ESS pracuje w strefie zmienności obciążenia nadążając regulacyjnie ( w czasie kilku sekund ) za zmianami obciążenia
E. Regulacja obciążenia.
Magazyn Energii ESS pracuje w strefie szybkich zmian obciążenia, wygładzając je.
F. Stabilizacja częstotliwości sieci.
Magazyn Energii ESS jest źródłem „syntetycznej” bezwładności mechanicznej i pracuje w krótkich cyklach jako filtr stabilizujący chwilowe zmiany częstotliwości sieci.
G. Układ rezerwy „wirującej”,
Magazyn Energii ESS uwalniający rezerwę regulacyjną w technologicznym generatorze wytwórczym, zwiększając jego produkcję energii w czasie
H. Układ bilansowania mocy biernej
Magazyn Energii ESS przeznaczony do uzupełniania systemu mocą bierną.
I. W układach przywracania pracy systemu
Magazyn Energii ESS dedykowany jako źródło mocy i energii do uruchomienia bloku wytwórczego Elektrowniany black-start.
| Funkcja | Spotykany zakres mocy | Zakres czasu ładowania | Liczba cykli w roku | Wymagany czas odpowiedzi |
| D | 1-100 MW | 15 min – 1 h | 10 000 | sekundy |
| E | 10-40 MW | 10 s – 1 h | 10 000 | 1s |
| F | 10-40 MW | 2 min- 1 h | 10 000 | 0,1s |
| G | 10-100 MW | 1 min – 2 h | 50 – 200 | 0,1s |
| H | 1-10 Mvar | 1 min -1/2h-1 h | sekundy | |
| I | 5-50 MW | ¼ – 2..4 h | 1-12 | 1 min |
Magazyny energii wspierające operatorów Systemu i sieci Dystrybucji :
J. Ochrona przeciążanego elementu (linii) przesyłowej.
Magazyn Energii ESS w węźle odbiorczym pojedynczej linii przesyłowej może uchronić ją przed cyklicznym przeciążaniem szczytowym, łącznie zarówno mocą bierną jak i czynną.
K. Alternatywa wobec nieakceptowalnych inwestycji przesyłowych
Magazyn Energii ESS w procesie analizy ekonomicznej inwestycji jako alternatywa dla trudnych administracyjnie ( lokalizacje, protesty) połączeń liniowych ( non wire alternative).
L. Alternatywa wobec niepewnych inwestycji rozwoju sieci rozdzielczej
Magazyn Energii ESS w procesie analizy rozwoju sieci rozdzielczej jako tymczasowe źródło dodatkowe przy niepewnej postawie odbiorców, stawiane do czasu potwierdzenia trwałości poboru energii. Dzięki magazynowi można zoptymalizować nakłady na kluczowe elementy sieciowe.
| Funkcja | Spotykany zakres mocy | Zakes czasu ładowania | Liczba cykli w roku | Wymagany czas odpowiedzi |
| J | 1 – 100MW | 1-4 h | 50-200 | 0,1s |
| K | 10-100MW | 1-8 h | 10-50 | sekundy |
| L | 0,5-10 MW | 1-4 h | 50-200 | sekundy |
Magazyny energii w Energetyce przemysłowej :
M. Ochrona przy zakłóceniach jakości energii elektrycznej
Magazyn Energii ESS może być nastawiony na załagodzenie uciążliwych zjawisk napięciowych dla bardzo nietolerancyjnych i kluczowych odbiorów dla wytwarzanej usługi i dóbr. Magazyn jako filtr służący do wyrównania migotań napięcia, zaników i zapadów oraz przepięć i odkształceń.
N. Rezerwowe źródło mocy i energii do uruchomienia własnych źródeł wytwórczych
Magazyn Energii ESS może być przeznaczony do awaryjnego sterowania rozruchem lokalnych źródeł wytwórczych, tymczasowego zasilania wrażliwych odbiorów do czasu przywrócenia normalnego zasilania lub do czasu osiągnięcia mocy w własnych źródłach.
O. Udział w Redukcjach Obciążenia
Magazyn Energii ESS może być przeznaczony do programu odpowiedzi na wezwania redukcji obciążeń. Ładowanie magazynu można ustawić na okresy po wezwaniu natomiast rozładowania magazynu można przeprowadzić w czasie Wezwania.
P. Optymalizowanie poboru energii przy opłatach strefowych
Magazyn Energii ESS może służyć w energetyce przemysłowej do optymalizacji mocy przyłączeniowej poprzez udział magazynu w pokrywaniu zapotrzebowania szczytowego i uniknięciu kosztów taryfowych z tym związanych.
| Funkcja | Spotykany zakres mocy | Zakres czasu ładowania | Liczba cykli w roku | Wymagany czas odpowiedzi |
| M | 0,1-10 MW | 0,1-3 min | 200-10 000 | Milisekundy |
| N | 0,1-10 MW | 1-8 h | Do 12 | 0,3s |
| O | 0,1-10 MW | 4h | 10-50 | 1s |
| P | 0,1-10 MW | ½ -2h | 50-200 | 1s |
Tworzenie sieci rozdzielczej XXI wieku.
Operatorzy sieci rozdzielczych szukają nowych odpowiedzi na wyzwanie jakim jest dostarczanie stabilnego zasilania elektrycznego wysokiej jakości. SIESTORAGE to nowoczesny, nieingerujący w środowisko – ekologiczny sposób na poradzenie sobie z zadaniami bilansowania technicznego sieci, które przychodzi wraz z przyłączeniami do sieci. Przyczynia się do zwiększenia stabilności i wydajności zasobów oraz ogrywa fundamentalna rolę w optymalizacji sieci przez magazynowanie i dostarczanie energii w dowolne miejsce łańcucha zasilania od generacji do zużycia. Poprzez zapewnienie ciągłości zasilania w systemie transmisji i sieci dystrybucji, SIESTORAGE nie tylko przyczynia się do odciążenia sieci ale również do optymalizacji jej rozbudowy.
Porównując rynek usług systemowych w Polsce z rynkiem w USA lub poszczególnych krajach UE można łatwo zauważyć, że jeszcze nie ma zdefiniowanych pewnych usług systemowych lub obecne opłaty, nie pokrywają ich kosztów inwestycyjnych. Jednakże to może się zmienić.
Ograniczenia pracy dla przemysłu ( stopnie zasilania) są niekorzystne dla tej branży, a dla gospodarki – hamują wytwarzanie PKB.
Elektrochemiczne magazyny energii nie wpływają na otoczenie ani emisją gazów spalinowych, ani oddziaływaniem z biosferą wokół instalacji.
A zatem SIESTORAGE jest korzystnym rozwiązaniem przy rosnących wymaganiach w wytwarzaniu i zużyciu ze strony sieci energetycznych.
Przytoczone fakty sprawiają, że postrzegamy magazyny energii jako bardzo obiecujący, nowy element aktywny w nowoczesnej sieci rozdzielczej zarówno publicznej, jak i u wytwórców energii, czy wreszcie w przemysłowych sieciach zasilania produkcji przemysłowej.
Literatura
Power Engineering Guide – SIEMENS AG,
Recommended practice, DNVGL-RP-0043 – Edition December 2015
Dr inż. Piotr Lachowski
Mgr inż. Maciej Morgen
