Technologie

Nowoczesne technologie i rozwiązania wspierające OZE w produkcji energii elektrycznej oraz sieci dystrybucyjne

Głównym problemem odnawialnych źródeł energii (OZE, ang. Renewable Energy Storage) jest nadprodukcja lub niedobór energii podczas zmiennych  warunków pogodowych wywołanych zjawiskami atmosferycznymi, cyklem dobowym oraz porami roku. Rozwój nowoczesnych magazynów energii, mogących przechowywać nadwyżki i w razie potrzeby, oddających ją do sieci, jest niezbędny, aby można było zwiększyć udział OZE w produkcji energii elektrycznej i dostosować jego skalę do aktualnych potrzeb gospodarki.

Systemy dystrybucji energii elektrycznej we współpracy z odnawialnymi źródłami energii mierzą się z takimi problemami jak równoważenie wytwarzania i zapotrzebowania energii elektrycznej, poprawa jakości energii elektrycznej, zapewnienie ciągłości zasobów odnawialnych, ochrona sieci przed przeciążeniem oraz świadczenia usług pomocniczych, takich jak częstotliwość oraz regulacja napięcia. Naprzeciw wyzwaniom wychodzą najnowocześniejsze technologie magazynowania energii w rozwiązaniach klasycznych jak i hybrydowych. Magazyny hybrydowe pozwalają osiągnąć pożądaną efektywność łącząc odpowiednie funkcje różnych technologii. Hybrydowe systemy magazynowania energii (ang. Hybrid Energy Storage System, HESS) charakteryzują się połączeniem dwóch lub więcej technologii magazynowania energii elektrycznej, dobranych w celu zapewnienia parametrów całego systemu magazynowania energii pod względem żywotności, kosztów, wartości energii, gęstości mocy i dynamicznej reakcji.

Światowe agencje zajmujące się polityką energetyczną przewidują obecnie  wzrost emisji CO2 o 30% oraz zwiększenie zużycia ropy naftowej o 70% do 2050 r., co przełoży się na wzrost średniej globalnej temperatury o 6°. Spełnienie tej prognozy spowodowałoby globalną katastrofę ekologiczną i zanik znacznych obszarów naszej cywilizcji. Wg światowych raportów [1] odnawialne źródła energii stanowią najlepsze rozwiązanie, aby można było temu przeciwdziałać. Energia słoneczna i wiatrowa są szeroko stosowane do wytwarzania energii elektrycznej. Na początku 2018 globalna moc zainstalowanych elektrowni wiatrowych wyniosła ok. 550 GW, a fotowoltaicznych w 2017 r. przekroczyła 400 GW [2].

W Polsce również coraz więcej budowanych jest nowoczesnych instalacji OZE. Wg  Urzędu Regulacji Energetyki w Polsce na koniec 2019 r. zainstalowano łącznie 9 GW instalacji OZE, w tym 6 GW elektrowni wiatrowych, ok.1 GW hydroelektrowni oraz ok. 500 MW elektrowni fotowoltaicznych. Należy podkreślić, że w stosunku do 2010 r. największy wzrost instalacji odnotowano  w przypadku elektrowni fotowoltaicznych oraz wiatrowych.

W Polsce prowadzone są jednocześnie prace w celu wspierania OZE najnowszymi rozwiązaniami technologicznymi. Inwestycje finansowane są głównie ze środków europejskich jak również pochodzą od  inwestorów zewnętrznych. W ostatnich latach firma Energa Wytwarzanie S.A. we współpracy z Polskimi Sieciami Elektroenergetycznymi oraz firmą Hitachi podjęła realizację hybrydowego magazynu energii o mocy 0.75 MW i pojemności 1.5 MWh w pobliżu Pucka jak również jednego z największych przedsięwzięć w postaci hybrydowego magazynu energii o mocy 6 MW i pojemności 27 MWh w pobliżu farmy wiatrowej Bystra [3]. Głównym celem tych przedsięwzięć jest sprawdzenie ochrony sieci przesyłowej i sieci dystrybucyjnych HV przed przeciążeniem oraz bilansowanie niedoborów lub nadmiaru wyprodukowanej energii elektrycznej. Budowę magazynów podjęły również inne koncerny energetyczne. W 2018 r. Tauron rozpoczął budowę magazynu energii o mocy 3MW i pojemności 0.7 MWh w Cieszanowicach gminie Kamiennik.  Głównym celem tego projektu jest poprawa jakości i niezawodności dostaw energii elektrycznej. Prace nad budową magazynu energii na górze Żar rozpoczęła również Polska Grupa Energetyczna, gdzie powstaje magazyn o mocy 0.5 MW i pojemności 0.75 MWh, farma fotowoltaiczna o mocy 0.6 MW oraz elektrownia szczytowo-pompowa. Głównym celem tego projektu jest przygotowanie i sprawdzenie funkcjonalności usług systemowych służących stabilizacji i regulacji parametrów pracy sieci dystrybucyjnych SN w oparciu o magazyn energii wykonany w technologii ogniw litowo-jonowych [4].

Jak wspomniano na początku, nowoczesne technologie wspierają OZE w produkcji energii elektrycznej, poprzez łączenie odpowiednich elementów o różnych właściwościach. Dostępne na świecie technologie magazynowania energii można podzielić na cztery grupy. Są to technologie elektryczne (magnetyczne i elektrostatyczne), mechaniczne (potencjalne i kinetyczne), elektrochemiczne oraz chemiczne (rys.1, [5]). Warto podkreślić, że obecnie występujące na świecie technologie magazynowania energii elektrycznej nie zapewniają jednocześnie upakowania dużych gęstości mocy i pojemności, co wynika z ograniczeń technologicznych. Stąd odpowiednio dobrane rozwiązania technologiczne pozwalają na uzupełnienie parametrów docelowej aplikacji systemowej pod względem żywotności, kosztów, energii, gęstości mocy i dynamicznej reakcji. 

Rys. 1. Podział technologii magazynowania energii.

W ciągu ostatnich kilku lat zwiększenie zainstalowanej mocy OZE oraz jednoczesny wzrost wymagań dotyczących jakości energii elektrycznej powoduje konieczność prowadzenia działań dotyczących modernizacji infrastruktury sieci elektroenergetycznej, które obejmują nowe transformatory, nowe połączenia sieciowe, urządzenia przełączające i kompensacyjne. Z drugiej strony taki sam efekt w porównaniu z tymi standardowymi rozwiązaniami może być osiągnięty przez zastosowanie systemów magazynowania energii z szerokim zakresem funkcjonalności [5-7]. Rozwój powyższych instalacji jest szczególnie ważny dla operatorów systemów elektroenergetycznych, a także wrażliwych konsumentów notujących znaczne straty mocy wynikające z niskiej jakości parametrów sieci. Duże firmy przemysłowe również odnotowują znaczne straty finansowe spowodowane niską jakością energii elektrycznej. Jak wspomniano powyżej, instalacje magazynów energii wraz z OZE oferują wiele możliwości. Po pierwsze umożliwiają magazynowanie energii, działając jako rezerwa mocy dla równoważenia okresowo występujących  potrzeb w tym zakresie, zapewniają równocześnie wyższą pojemność energetyczną systemu elektroenergetycznego, a także umożliwiając zwiększone dostawy energii przy dużym jej zapotrzebowaniu na przykład  w ciągu dnia. Po drugie, minimalizuje dynamiczny wpływ OZE na system elektroenergetyczny, szczególnie w odniesieniu do źródeł ze zmiennym generowaniem mocy (elektrownie wiatrowe). Magazyny mogą równocześnie stanowić element poprawy jakości energii, przez kompensację spadków napięcia, zmian częstotliwości, mocy biernej oraz zapewnienie ciągłości dostaw w przypadku awarii generatora .

Przykładowy schemat blokowy modułowego magazynu energii przedstawiono na rys. 2. Na rysunku przedstawiono główne elementy składowe systemu. Składa się on z obwodów wejściowych, które obejmują rozdzielnicę, aparaturę łączeniową, elementy zabezpieczeniowe, oraz filtry od strony sieci elektroenergetycznej. Każdy blok mocy zawiera przekształtnik sieciowy AC / DC, który zamienia energię z sieci prądu przemiennego na prąd stały, przekształtnik prądu stałego DC / DC,  odpowiedzialny za regulację parametrów podczas ładowania i rozładowywania magazynu. Każdy blok mocy nadzorowany i sterowany jest w układzie master-slave. Najczęściej główny sterownik realizuje założone funkcje oraz odpowiedzialny jest za pomiary parametrów sieci, analizę mocy oraz komunikację z operatorem systemu. Jednocześnie może on zadawać wybrane parametry procesów regulacji, kontroluje także każdy  moduł w celu osiągnięcia założonej funkcjonalności. Sterowniki modułów mocy najczęściej odpowiadają za komunikację z głównym sterownikiem oraz kontrolowanie parametrów wszystkich przekształtników mocy za pomocą odpowiedniej modulacji szerokości impulsów.

Rys. 2. Schemat blokowy modułowego magazynu energii zapewniającego osiągnięcie większej mocy i energii magazynu.

W celu dopasowania rozwiązań do potrzeb sieci dystrybucyjnych oraz osiągnięcia skalowalności systemu z punktu widzenia mocy i pojemności zmagazynowanej energii może być to zrealizowane na kilka sposobów. W pierwszym przypadku przedstawiono połączenie równoległe bloków, gdzie każdy moduł może działać niezależnie (rys. 3). Zwiększa to niezawodność całego systemu, pozwala na niezależne zarządzanie energią, wdrażanie różnych funkcji i działanie z różnymi zasobnikami energii elektrycznej.

Rys. 3 Modułowe rozwiązanie magazynu w celu osiągnięcia większej mocy i energii magazynu.

Zwiększenie pojemności magazynowanej energii elektrycznej może być uzyskane przez równoległe połączenie przetwornic DC / DC w sposób, który został  przedstawiony na rys. 4. Dzięki temu rozwiązaniu mamy możliwość łączenia różnych technologii zasobników energii do wspólnego obwodu mocy, jak również zmienną konfigurację systemu. Przy minimalnych kosztach, bez konieczności projektowania i budowy kolejnego magazynu energii i całej infrastruktury. Kolejny aspekt ekonomiczny tego rozwiązania to niższe koszty utrzymania.

Rys. 4 Modułowe rozwiązanie magazynu zapewniające większą energię magazynu i integrację różnych technologii zasobników energii.

Osiągnięcie większej mocy magazynu energii można zrealizować poprzez równoległe połączenie przekształtników sieciowych AC/DC (rys.5) To rozwiązanie niesie za sobą również pozytywne skutki ekonomiczne i funkcjonalne.  Większość kosztów magazynu energii stanowi zasobnik magazynujący energię, a  dodanie kolejnego przekształtnika sieciowego AC / DC daje możliwość implementacji dodatkowych funkcji bez istotnego zwiększenia kosztów magazynu.

Rys. 5 Modułowe rozwiązanie magazynu energii zapewniające uzyskanie większej mocy magazynu.

Powyżej przedstawiono sposoby zwiększania mocy i energii magazynu, co bezpośrednio przekłada się na możliwość realizacji wymaganych funkcji jak również zdolność współpracy zasobników energii o różnych technologiach. Rozwiązania te znajdują zastosowanie nie tylko w sieciach typu microgrid, ale również w tradycyjnej sieci elektroenergetycznej. Jak wspomniano na początku, w przypadku zastosowania co najmniej dwóch różnych technologii mamy do czynienia z hybrydowym magazynem energii. Taki magazyn może być podłączony do sieci elektroenergetycznej za pomocą sprzęgów o różnych topologiach. Zgodnie z literaturą topologie łączenia zasobników energii klasyfikowane są jako pasywne, półaktywne i aktywne. Topologie te znajdują zastosowanie szczególnie w odniesieniu do sieci microgrid, gdzie przede wszystkim elementem łączącym jest obwód prądu stałego. W pierwszym przypadku różne technologie zasobników podłączone są bezpośrednio do obwodu głównego prądu stałego, co jest rozwiązaniem najprostszym i ekonomicznym, chociaż z punktu widzenia regulacji i wykorzystania parametrów technologii nie jest to najlepsze rozwiązanie. Kolejne rozwiązanie to topologie półaktywne, gdzie jeden z zasobników jest podłączony bezpośrednio do obwodów silnoprądowych prądu stałego a drugi dołączony jest za pomocą dwukierunkowego przekształtnika prądu stałego. To rozwiązanie zapewnia lepsze, niż rozwiązanie pasywne, wykorzystanie parametrów zastosowanych technologii jak również w większym zakresie pozwala na regulację pracy zasobnika. Ostatnie rozwiązanie zakłada połączenie każdego zasobnika energii poprzez dwukierunkowe przekształtniki prądu stałego. Jest to rozwiązanie najmniej ekonomiczne, ale zdecydowanie najbardziej efektywne z punktu widzenia aktywnej kontroli procesów ładowania i rozładowania zasobników, elastycznego wykorzystania parametrów zastosowanych technologii, zwiększenia wydajności sytemu oraz wydłużenia ich żywotności. Na rys. 6 przedstawiono różne topologie hybrydowego magazynu energii.

Rys. 6 Topologie łączenia zasobników energii, a) pasywna, b) półaktywna, c) aktywna.

W świetle rozwijających się technologii wspierających OZE w produkcji energii elektrycznej oraz sieci dystrybucyjne należy podkreślić, że Łukasiewicz – Instytut Elektrotechniki (Ł-IEL) przez ostatnie lata zrealizował i wdrożył wiele systemów przetwarzania i magazynowania energii elektrycznej. W 2018 r. w wyniku realizacji projektu dofinansowanego z NCBiR opracowano system zasilania dużej mocy i średniego napięcia (15kV, 6MW, 50/60Hz), pozwalającego na realizację zasilania instalacji/obiektów poprzez zastosowanie nowoczesnych przekształtników energoelektronicznych, zapewniających podniesienie funkcjonalności systemu jak również możliwości dystrybucji energii elektrycznej (rys. 7a). Poprzez konfigurację różnych połączeń systemu przetwarzania energii elektrycznej możliwe jest dopasowanie go do indywidualnych potrzeb aplikacyjnych. W 2017 r. opracowano kompensator zaników i zapadów średniego napięcia (napięcie znamionowe 6,3 kV, 0.25 MW, czas podtrzymania 4s), z superkondensatorowym magazynem energii (rys. 7b). Działanie systemu polega na ciągłym monitorowaniu sieci zasilającej w miejscu przyłączenia odbiornika. Każde odchylenie od znamionowych parametrów napięcia, czyli jego zapad lub zanik jest natychmiast wykrywany, co powoduje zastąpienie zasilania z sieci elektroenergetycznej zasilaniem z baterii superkondensatorów. 

Rys. 7. a) System zasilania dużej mocy i średniego napięcia
Rys. 7. b) system kompensacji zaników i zapadów średniego napięcia.

W latach 2011 -2013 Łukasiewicz – Instytut Elektrotechniki opracował stacjonarne superkondensatorowe magazyny energii elektrycznej, które badane były na podstacjach trakcyjnych trakcji tramwajowej i trolejbusowej (rys. 8). Magazyny Umożliwiają stabilizację napięcia zasilającego pojazdy trakcyjne dzięki akumulowaniu  energii pochodzącej z hamowania odzyskowego realizowanego przez tramwaje lub trolejbusy oraz dostarczaniu jej w momencie rozruchu pojazdu. Dzięki takiemu rozwiązaniu można zmniejszyć zużycie energii elektrycznej oraz emisję CO2. 

Rys. 8.
Rys. 8. Stacjonarne superkondensatorowe magazyny energii elektrycznej.

W 2011 r. Łukasiewicz – Instytut Elektrotechniki opracował i wdrożył we własnej siedzibie bateryjny magazyn energii z elektrownią fotowoltaiczną o mocy 4 kW (rys. 9). Głównym celem projektu była integracja elektrowni fotowoltaicznej z bateryjnym magazynem energii elektrycznej oraz współpraca z siecią elektroenergetyczną.

Rys. 9 Widok elementów systemu magazynowania energii elektrycznej z elektrownią fotowoltaiczną zainstalowaną w siedzibie w Ł-IEL, a) panele fotowoltaiczne, b) miejsce zainstalowania magazynu energii (Laboratorium Energoelektroniki i Transportu Elektrycznego) .

 Dr inż. Marcin Parchomiuk
Z-ca Dyrektora Instytutu ds. Badań i Rozwoju
Łukasiewicz – Instytut Elektrotechniki

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top