Technológie na skladovanie energie v elektrickej sieti - PDF na stiahnutie zadarmo

Timothy Patey, ABB Švajčiarsko, Výskumné centrum 14. mája 2013 Technológie na skladovanie energie v elektrickej sieti 15. mája 2013 Snímka 1

skladovanie

Nasledujúcich 30 minút prehľad aplikácií, prečo skladovanie energie? Technológie, ako môžete skladovať energiu? Akumulátorové batérie pre čerpadlo Skladovanie adiabatického stlačeného vzduchu Správa energie pre koncového používateľa Závery 15. mája 2013 Snímka 2

Výzvy moderných energetických sietí Čo môže prispieť technológia? Vodič/trend Problémy, ktoré treba vyriešiť Technológie Vzdialená generácia Decentralizovaná generácia Nestálosť výroby Transport energie; Kapacita siete; Obojsmerná distribučná sieť Skladovanie energie Vysokonapäťový prenos jednosmerného prúdu (HVDC); > Prenos 2 GW; FAKTY; Riadenie a ochrana distribučných sietí Elektrické: Skladovanie čerpadiel, batérie; Termoelektrická pamäť; Elektrické autá (?) Nestálosť výroby Rastúci dopyt po energii Flexibilné riadenie záťaže Energetická účinnosť Inteligentná sieť (aktívny dopyt); Pružnejšia efektívnosť výrobnej siete; Priemyselná energetická účinnosť; GW Giga Watt, FAKTA flexibilný systém prenosu striedavého prúdu

Aplikácie systémov na skladovanie energie () Centrálna výroba Skladovanie veľkého množstva energie Vyrovnávanie zaťaženia Na strane výroby 100 MW, rezerva podpory rozvodne/napájacej siete 4 h V prípade výpadku vedenia 10 - 100 MW, 0,25 - 1 h 220 kv vysokonapäťové zaťaženie vedenia 20 kv 220 kv Distribuovaná výroba Integrácia obnoviteľných energií 1 - 100 MW, 10h vyvažovanie záťaže Na oddialenie investícií do vedenia 1-10 MW, 6h ťažký priemysel 20 kv 110 kv 110 kv 20 kv regulácia frekvencie kruhu v sieti 1-50 MW, 0,25-1h obmedzenie špičkového zaťaženia 0,5-10 MW, 1h hospodárenie s energiou u koncového používateľa 15. mája 2013 Snímka 4

Technológie na skladovanie energie Mechanické termodynamické Elektrochemické elektromagnetické gravitácie Skladovanie čerpadiel Kinetické zotrvačníky Teplo Termoelektrický tlak Stlačený vzduch (CAES) Batérie Olovené Ni-Cd NaS Lítium Kov - vzduch Prietokové články Vanád ZnBr Vodík elektrolyzér a palivový článok Energia na plyn Elektrický kondenzátor Supercaps Magnetická supravodivosť (SMES) Tlakové teplo Môže 15, 2013 Snímka 5 Adiabatické CAES

Aplikácie systémov na skladovanie energie Centrálna výroba Skladovanie veľkého množstva energie Vyrovnávanie zaťaženia Na strane výroby 100 MW, rezerva podpory rozvodne/napájacej siete 4 h V prípade výpadku vedenia 10 - 100 MW, 0,25 - 1 h 220 kv vysokonapäťové zaťaženie vedenia 20 kv 220 kv Distribuovaná výroba Integrácia obnoviteľných energií 1 - 100 MW, 10 h Vyrovnávanie zaťaženia Na oddialenie investícií do vedenia 1 - 10 MW, 6 h ťažký priemysel 20 kv 110 kv 110 kv 20 kv regulácia sieťovej frekvencie krúžku 1 - 50 MW, 0,25 - 1 h obmedzenie špičkového zaťaženia 0,5 - 10 MW, 1 h hospodárenie s energiou u konečného spotrebiteľa 15. mája 2013 Snímka 6

Skladovanie energie v energetickej sieti (2012) Skladovanie čerpadla 127 000 MW Viac ako 99% celkovej skladovacej kapacity Skladovanie stlačeného vzduchu, 440 MW sodíkovo-sírové batérie, 316 MW lítium-iónové batérie, 88 MW olovené batérie, 50 MW zotrvačníky, 25 MW redoxné batérie, 5 MW 15. mája 2013 7 Zdroj: Fraunhofer Institute, EPRI, Pr. Nat. Sci. 19 (Chen et.al), obr

Skladovanie čerpadla: Dominantná technológia Skladovanie gravitačnej energie Zavedená a efektívna technológia Najčastejšie použitie (2012): Riadenie záťaže na strane výroby V konkurencii s plynovými elektrárňami Dolný zásobník Horný zásobník Elektromechanické stroje 1060 MW, 8 h PHS Goldisthal (D) Vlastnosti skladovania čerpadla Účinnosť 80% Doba napájania Výstupné kapitálové náklady (systém 500 MW) Najväčšia nevýhoda hodiny (až dni) 10 MW až 1 GW 1500 - 2 000 $/kw (expanzia 650 - 850 $/kw) Geograficky obmedzené 15. mája 2013 Snímka 8

Aplikácie systémov na skladovanie energie Centrálna výroba Skladovanie veľkého množstva energie Vyrovnávanie zaťaženia Na strane výroby 100 MW, rezerva podpory rozvodne/napájacej siete 4 h V prípade výpadku vedenia 10 - 100 MW, 0,25 - 1 h 220 kv vysokonapäťové zaťaženie vedenia 20 kv 220 kv Distribuovaná výroba Integrácia obnoviteľných energií 1 - 100 MW, 10 h Vyrovnávanie zaťaženia Na oddialenie investícií do vedenia 1 - 10 MW, 6 h ťažký priemysel 20 kv 110 kv 110 kv 20 kv regulácia frekvencie kruhu v sieti 1 - 50 MW, 0,25 - 1 h obmedzenie špičkového zaťaženia 0,5 - 10 MW, 1 hod. Správa energie u konečného spotrebiteľa 15. mája 2013 Snímka 9

Batérie na skladovanie distribuovanej energie Skladovanie vo forme chemickej energie, veľa rôznych typov batérií Vysoká energia a hustota výkonu Rýchla reakcia a schopnosť prepínania (medzi nabíjaním a vybíjaním) Trend: riešenia kontajnerov Typické vlastnosti skladovania batérií Účinnosť> 80% Dĺžka napájania Výkon Kapitálové náklady (500 Najväčšia nevýhoda 1 - 10 hodín 1 - 50 MW 2 500 $/kw Lineárne škálovanie (bez úspory veľkosti) 34 MW, inštalácia sodíka a síry (NaS) 245 MWh pre 51 MW veternú farmu (Japonsko) 15. mája 2013 Snímka 10

Topológia systémov skladovania batérií (B) Batéria + - U Prevodník DC AC U PCS Transformátor Sieťová sieť U AC 15. mája 2013 Snímka 11

Integrácia obnoviteľných zdrojov: Zabezpečenie kapacity veternej turbíny Futamata s výkonom 51 MW s batériami s obsahom sodíka a síry 34 MW, ktoré sú do siete pripojené od roku 2008, Japan Wind Development Co. 15. mája 2013 Snímka 12

Budúca alternatíva pre integráciu obnoviteľných zdrojov: Adiabatický systém uskladnenia stlačeného vzduchu Súčasné uskladnenie tlaku (stlačený vzduch) a tepla Výhoda: Žiadne spaľovanie zemného plynu (na rozdiel od predchádzajúcich systémov uskladňovania stlačeného vzduchu) Ekologický adiabatický uskladňovací systém stlačeného vzduchu - vlastnosti Cieľ efektívnosti: 70% trvanie napájania Výkon Kapitálové náklady (Systém 500 MW) Najväčšie nevýhodné dni 50 - 500 MW cieľ: 1 500 $/kw Geograficky viazaný projekt ADELE: 90 MW, 4h demonštrant v Strassfurte (D) s RWE, GE, Züblin a DLR Zdroj: www.rwe.com, máj 15, 2013 Snímka 13

Aplikácie systémov na skladovanie energie Centrálna výroba Skladovanie veľkého množstva energie Vyrovnávanie zaťaženia Na strane výroby 100 MW, rezerva podpory rozvodne/napájacej siete 4 h V prípade výpadku vedenia 10 - 100 MW, 0,25 - 1 h 220 kv vysokonapäťové zaťaženie vedenia 20 kv 220 kv Distribuovaná výroba Integrácia obnoviteľných energií 1 - 100 MW, 10 h Vyrovnávanie zaťaženia Na oddialenie investícií do vedenia 1 - 10 MW, 6 h ťažký priemysel 20 kv 110 kv 110 kv 20 kv regulácia frekvencie kruhu v sieti 1 - 50 MW, 0,25 - 1 h obmedzenie špičkového zaťaženia 0,5 - 10 MW, 1 h energetický manažment u konečného spotrebiteľa 15. mája 2013 Snímka 14

Regulácia frekvencie Rovnováha medzi spotrebou elektriny a výrobou musí byť vždy zaručená. To sa dosahuje rezervným výkonom, ktorým sa dá reagovať na zmeny frekvencie siete. 15. mája 2013 Snímka 15

Systém skladovania energie lítium-iónovej batérie Li-iónová batéria na reguláciu frekvencie (a ďalšie aplikácie) Rozvodňa Los Andes v Čile, veľkosť: 12 MW/4 MWh, účinnosť striedavého prúdu na striedavý prúd 80% Dodávateľ: A123, stavba: 2009 15. mája 2013 Snímka 16

Systém skladovania energie lítium-iónovej batérie 1 MW (15 min.), Pilotný projekt, operátor siete: EKZ, Švajčiarsko, Sonntags-Zeitung, 18. marca 2012 15. mája 2013 Snímka 17

Aplikácie systémov na skladovanie energie Centrálna výroba Skladovanie veľkého množstva energie Vyrovnávanie zaťaženia Na strane výroby 100 MW, rezerva podpory rozvodne/napájacej siete 4 h V prípade výpadku vedenia 10 - 100 MW, 0,25 - 1 h 220 kv vysokonapäťové zaťaženie vedenia 20 kv 220 kv Distribuovaná výroba Integrácia obnoviteľných energií 1 - 100 MW, 10 h Vyrovnávanie zaťaženia Na oddialenie investícií do vedenia 1 - 10 MW, 6 h ťažký priemysel 20 kv 110 kv 110 kv 20 kv regulácia frekvencie siete v kruhu 1 - 50 MW, 0,25 - 1 h obmedzenie špičkového zaťaženia 0,5 - 10 MW, 1 h energetický manažment u konečného spotrebiteľa 15. mája 2013 Snímka 18

Vlastná spotreba pomocou FV systému a koncepcie batériového systému 1. Počas „maxima“ sa prebytočná elektrina ukladá do batérií. à Batéria sa nabíja. 2. Počas špičky je elektrina dodávaná z batérie a FV systému. à Batéria sa vybíja. 15. mája 2013 Snímka 19 Vlastná spotreba s batériovým systémom (zdroj: Prosol, 2013)

Obchodný prípad pre Nemecko Prevádzkové výnosy a náklady Prevádzkové výnosy Cena elektriny (2012) = 25,9 ct/kwh. 1 výkupná tarifa = 18,2 ct/kwh. 2 Úspora nákladov = 7,7 ct/kWh. Náklady na kwh = 800 EUR/kWh. Kapacita batérie = 5 kwh (približne 3 kwh/deň vrátane starnutia batérie). Celkové náklady = 4 000 EUR Priemerná spotreba elektriny na domácnosť a rok = 4 000 kWh/rok. 3 Dodatočná vlastná spotreba = 1 000 kWh/rok (

2,7 kWh/deň). à doba splácania => 50 rokov ročný prevádzkový príjem = 7,7 ct/kwh * 1 000 kwh = 77 EUR/rok. Zdroje: 1 BDEW, 2012, 2 Renewable Energies Act (EEG), Návrh 23. februára 2013 (1 h) kyselina olovnatá (stredná doba vybíjania) sodík-síra (dlhá doba vybíjania, 5-8 h) Budúce systémy na skladovanie energie by mali obsahovať termodynamické technológie (adiabatické) systémy na uskladnenie stlačeného vzduchu máj 15, 2013 Snímka 23

Je domáca batéria zisková? Zvýšenie vlastnej spotreby so skladovaním energie, hraničný limit ceny energie/ziskovosti, rozdiel medzi cenou elektriny a rozdielom ceny výkupného (limit ziskovosti), náklady na batériu pre limit ziskovosti 0,10 EUR/kWh/cyklus: Poznámka: Účinnosť systému a diskontovanie sa neberú do úvahy. 15. mája 2013 Snímka 25

Skladovacie technológie 10 h Skladovanie stlačeného vzduchu sodíka a síry (CAES) Prevádzková doba [min] 1 h Vanádové redoxné chemické batérie Olovené akumulátory Termoelektrické skladovanie (TEES) Skladovanie čerpadla Li-ion 10 min Zotrvačníky 100 kw 1 MW 10 MW 100 MW 1000 MW špičkový výkon [MW]

Systém akumulácie energie Ni-Cd batérie 100 MW prenosové vedenie Ni-Cd batérie Healy prevodník 140 MW prenosové vedenie Fairbanks B Špecifikácia: 40 MW na 7 min (4,7 MWh) 27 MW na 15 min (6,75 MWh) účinnosť AC na AC 75% životnosť batérie: 20 rokov pripojené k linke 138 kv Aplikácie: Rezervný výkon v prípade poruchy prenosového vedenia Kompenzácia rezervného výkonu spinningu Golden Valley Electric Association, USA, v prevádzke od roku 2004 15. mája 2013 Snímka 27

Batériový systém sodný-síra (NaS) Tokio Electric Power Company rozvodňa Tsunashima 6 MW/48 MWh 15. mája 2013 Účinnosť sklzu 28 AC na AC 75% výstavba 1997-1998

Životnosť cyklu a kalendára (A-) Prečerpávanie CAES, ETES Životnosť cyklu a kalendára má zásadný vplyv na prijatie zákazníkom a náklady na uskladnenú elektrinu 15. mája 2013 Snímka 29

Závery Existujú rôzne aplikácie, z ktorých každá má špecifický ekonomický faktor. Najdôležitejšie z nich sú: Riadenie záťaže na strane výroby Integrácia obnoviteľných energií Spomedzi technológií skladovania je skladovanie čerpadiel často najekonomickejším riešením (ak neexistujú geologické alebo iné obmedzenia) Ak nie je možnosť skladovania čerpadiel, sú v dnešnej dobe často najlepšou alternatívou batériové systémy. Tri najdôležitejšie technológie sú: lítiové ióny (krátky čas vybíjania,> 1 h) kyselina olovená (stredná doba vybíjania) sodík-síra (dlhá doba vybíjania, 5-8 h) Budúce riešenia skladovania energie budú obsahovať termodynamické technológie ako (adiabatický) sklad stlačeného vzduchu alebo skladovanie elektrotermickej energie . 15. mája 2013 30. snímka