GIG - BaterieFACTS

Rozwój zasobników energii elektrycznej wielkiej mocy: Superkondensatory
i akumulatory ratują systemy elektroenergetyczne
Autor: Piotr Olszowiec
(„Energia Gigawat” – styczeń 2009)
Rosnące wymagania bezpieczeństwa i niezawodności zasilania odbiorców wymuszają ciągłe
doskonalenie układów elektroenergetycznych. Potwierdzeniem tego trendu jest adaptacja
rozmaitych zasobników energii elektrycznej do współpracy z sieciami w celu zapobiegania
ewentualnej nieciągłości zasilania. Ostatnie lata dostarczyły licznych przykładów udanej
integracji układów gromadzenia energii z systemami elektroenergetycznymi róŜnych napięć,
zwłaszcza wyposaŜonymi w odnawialne źródła energii.
Superkondensatorowe zasobniki energii dla farm wiatrowych
Systematyczny przyrost mocy źródeł w energetyce wiatrowej ujawnia coraz wyraźniej
zasadnicze przeszkody dla jej rozwoju czyli trudności z zapewnieniem oczekiwanej ilości i
jakości wytwarzanej mocy. Planowa współpraca z systemem elektroenergetycznym wymaga
od dostawcy przede wszystkim przewidywalności produkcji energii. Mimo iŜ coraz
dokładniejsze prognozowanie warunków atmosferycznych łagodzi problemy wynikające z
długo- i średnioterminowej zmienności wiatrów, nagłe wahania prędkości i kierunku prądów
powietrznych wciąŜ wywołują utrudnienia natury technicznej. W tych warunkach moc
chwilowa turbogeneratorów wiatrowych ulega znacznym zmianom, co powoduje powaŜne
problemy dla bieŜącego bilansowania podaŜy i popytu w systemie. Bezpośrednim skutkiem
tych wahań są niedopuszczalne odchyłki częstotliwości napięcia sieci.
W 2006r. na farmie wiatrowej Lalamilo połoŜonej na hawajskiej Big Island zainstalowano
nowatorski układ stabilizacji generacji nazwany PureWave Electronic Shock Absorber.
Gwałtowne wiatry o zmiennej sile w tym regionie Pacyfiku od początku uniemoŜliwiały
stabilną pracę miejscowych turbogeneratorów, wskutek czego odbiorcy nie otrzymywali
zamówionej mocy elektrycznej o zakładanej jakości. Wydzielony system elektroenergetyczny
wspomnianej wyspy posiada moc zainstalowaną około 200 MW. Przy tak niskim potencjale
wytwórczym sieć nie jest sztywna i ubytek nawet pojedynczych megawatów wywołuje
niepoŜądane zmiany parametrów dostarczanej energii tj. napięcia i częstotliwości. Zmienna,
nieprzewidywalna generacja sześćdziesięciu turbogeneratorów farmy Lalamilo o łącznej
mocy zainstalowanej 1.2 MW była jednym z powodów niestabilnej pracy sieci tej hawajskiej
wyspy. Zastosowanie energoelektronicznego zasobnika energii elektrycznej umoŜliwiło
wyrównywanie czasowego przebiegu mocy oddawanej z farmy do sieci. Urządzenie
PureWave Electronic Shock Absorber produkcji firmy S&C Electric Co. Chicago stanowi
największy układ tego typu zastosowany w światowej energetyce wiatrowej. Cały układ
zabudowano na przewoźnej przyczepie o długości około 10m. Kontener posiada trzy komory:
stację sterowania i komputerowego nadzoru, przekształtnik energoelektroniczny oraz
właściwy zasobnik energii elektrycznej na bazie superkondensatorów. Układ jest ogniwem
sprzęgającym elektrownię wiatrową z siecią. Przy nadmiarze generowanej mocy
przekształtnik doładowuje baterię superkondensatorów. W razie deficytu mocy w systemie
falownik przekształca energię zgromadzoną w baterii na prąd przemienny oddając go do sieci.
Modułowa budowa układu absorbera pozwala na uŜycie większej liczby tych urządzeń w
zaleŜności od potrzeb. Angielska nazwa układu (w wolnym przekładzie „elektroniczny
pochłaniacz udarów energii”) dokładnie oddaje istotę wynalazku. Wygładzanie przebiegu
przesyłanej mocy pozwoliło na zmniejszenie uciąŜliwej zmienności generacji farmy
wiatrowej Lalamilo dla systemu elektroenergetycznego wyspy.
Baterie akumulatorów dla elektroenergetyki
Wśród licznych rodzajów układów gromadzenia energii stosowanych obecnie w systemach
elektroenergetycznych takich jak elektrownie szczytowo-pompowe, nadprzewodzące
magnesy, koła zamachowe czy superkondensatory, baterie akumulatorów nie są
rozwiązaniem najtańszym. RównieŜ typowe układy rezerwowych mocy wytwórczych oparte
na turbinach gazowych i spalinowych zespołach prądotwórczych odznaczają się niŜszym
jednostkowym kosztem wytwarzania energii elektrycznej od baterii akumulatorów
(szacunkowe wartości kosztów w USD/kWh przeliczonych na jeden rok eksploatacji:
elektrownia pompowo-szczytowa <100, turbina gazowa 100-200, bateria akumulatorów 400).
Jednak układy baterii przewyŜszają wymienione technologie pod względem technicznym, a w
szczególności w zakresie szybkości reakcji na deficyt mocy lub utratę zasilania oraz pod
względem zdolności regulacji parametrów oddawanej energii. Zasobniki akumulatorowe
spełniają wymagania stawiane tzw. rezerwie pierwotnej tj. dają pełną moc w czasie krótszym
od 30 sekund. Typowe bloki parowe lub gazowe mogą uzyskać podobną szybkość jedynie ze
stanu tzw. rezerwy wirującej (oznacza to, Ŝe turbogeneratory pracują na sieć tylko z
częściowym obciąŜeniem), co obniŜa sprawność produkcji.
Światowym liderem technologii wykorzystania akumulatorów jako zasobników energii w
systemach elektroenergetycznych jest firma Saft. Jej nowy układ - pierwszy tego rodzaju na
świecie dla sieci średniego napięcia - zawiera dynamiczny zasobnik energii elektrycznej w
formie baterii akumulatorów zintegrowany z przekształtnikiem energoelektronicznym
wykonanym w technologii Light. Układ przeznaczono dla obiektów o wysokich,
krótkotrwałych wahaniach poboru mocy, jak równieŜ dla sieci elektroenergetycznych
zasilanych ze źródeł o nierównomiernej generacji, zwłaszcza turbogeneratorów wiatrowych.
Baterie akumulatorów typu Li-ion odznaczają się takimi zaletami jak przystosowanie do
wielokrotnych cykli ładowania i rozładowania, długa gwarantowana Ŝywotność, wysoka
gęstość energii, krótki czas reakcji na zapotrzebowanie mocy, bezobsługowa eksploatacja.
Układ obejmuje 8 indywidualnych baterii ogniw (modułów Li-ion ) ustawianych na regałach.
Poszczególne moduły o znamionowym napięciu 641 V i pojemności 41 Ah połączono
szeregowo uzyskując napięcie wyjściowe 5.2 kV. Układ moŜe dostarczać moc 200 kW przez
godzinę lub 600 kW przez 15 minut. Producent baterii dostarcza takŜe wyposaŜenie
kontrolno-pomiarowe oraz interfejs optycznej komunikacji CAN do sterownika MACH-2.
Przekształtnik SVC Light, wykonany z wykorzystaniem tranzystorów mocy IGBT, stanowi
kompaktowe urządzenie przełączające z wysoką częstotliwością. Wraz z dynamicznym
zasobnikiem energii realizuje zadania regulacji napięcia i sterowania przepływami mocy
czynnej do i z sieci. Przetestowana instalacja pilotaŜowa o napięciu 11 kV dostarcza moc
czynną 600 kW i bierną 600 kVAr. Następnym etapem wdraŜania wynalazku przewidzianym
na 2009r. będą próby w warunkach rzeczywistej współpracy ze źródłami wiatrowymi.
BESS – gigantyczne baterie akumulatorów
Baterie akumulatorów firmy Saft zostały juŜ wcześniej wykorzystane w najbardziej
spektakularnym przedsięwzięciu omawianej technologii. Golden Valley Electric Association
(GVEA) jest przedsiębiorstwem sieciowym zaopatrującym w energię elektryczną około
90 000 odbiorców w regionie Fairbanks na Alasce, gdzie w zimie nierzadko temperatura
spada do minus 50°C. Tradycyjne podejście do zapewnienia ciągłości zasilania wymagałoby
od firmy budowy i utrzymania w gotowości dodatkowych mocy wytwórczych. Sieć tego
przedsiębiorstwa posiada własne źródła mocy, lecz tylko jedną linię wysokiego napięcia
łączącą z zewnętrznym systemem elektroenergetycznym. W razie utraty tego połączenia sieć
GVEA przekształca się w układ wyspowy, przy czym częstotliwość w tej wydzielonej sieci
moŜe gwałtownie spadać z szybkością nawet 7 Hz/s. Przed całkowitym załamaniem tego
systemu moŜe w tym przypadku uratować jedynie bezzwłoczne dociąŜenie pracujących
generatorów stanowiących wirującą rezerwę. Jednak utrzymywanie w ruchu niedociąŜonych
maszyn obniŜa sprawność wytwarzania energii. Alternatywnym rozwiązaniem jest uŜycie
układu
zasobników
energii
elektrycznej.
Spośród
rozpatrzonych
koncepcji
najkorzystniejszym rozwiązaniem okazał się system gromadzenia energii w bateriach
akumulatorów oznaczony skrótowo BESS (Battery Energy Storage System).
Głównymi elementami tego systemu są przemiennik częstotliwości dostarczony przez ABB
oraz baterie ogniw niklowo-kadmowych firmy Saft. Baterie stanowią magazyn i źródło
energii elektrycznej. Mogą one wytwarzać moc do 27 MW przez czas 15 min wystarczająco
długi dla uruchomienia rezerwowych źródeł zasilania tj. prądotwórczych agregatów
olejowych i gazowych. Natomiast przemiennik zamienia prąd stały pobierany z baterii na
prąd przemienny wprowadzany do sieci zakładu energetycznego GVEA. System BESS w
Fairbanks wyposaŜono w cztery równoległe gałęzie baterii z moŜliwością zabudowania
dalszych dwóch zestawów. Wówczas moc 15-minutowa systemu wzrośnie do 40 MW.
Podstawowym wymaganiem postawionym projektantom systemu było generowanie mocy 40
MW przez 15 minut. Po upływie tego czasu BESS ma obniŜać wydawaną moc z szybkością 4
MW/min. System przewidziano zarówno do oddawania jak i poboru mocy czynnej oraz
biernej. Projekt zakłada automatyczną pracę BESS bez stałego personelu obsługi.
Znamionowa moc czynna 15-minutowa jest osiągana przy następujących parametrach sieci:
napięcie od 0.9 - 1.1 Un (Un=138 kV) i częstotliwość 59 - 60.5 Hz (fn=60 Hz). Projektowe
moŜliwości techniczne instalacji zostały potwierdzone podczas prób odbiorczych. W trakcie
testów system BESS w Fairbanks ustanowił nieoficjalny rekord świata osiągając maksymalną
chwilową moc 26.7 MW wydawaną przez dwie gałęzie baterii. Wynik ten przewyŜsza
poprzednie osiągnięcie 21 MW podobnego systemu w Sabana Llana (Puerto Rico) z 1994r.
System BESS moŜe działać w siedmiu róŜnych trybach roboczych, w tym między innymi:
- stabilizacja napięcia sieci w stanach ustalonych i awaryjnych,
- rezerwa wirująca - reakcja na ubytki wytwarzanej mocy w innych źródłach systemu
elektroenergetycznego. Działanie tej opcji jest inicjowane przez spadek częstotliwości do 59.8
Hz. Ten tryb pracy posiada priorytet względem wszystkich pozostałych opcji i w razie
potrzeby przerywa ich działanie.
- stabilizator systemowy – tłumienie oscylacji napięć sieci,
- automatyczne awaryjne dociąŜanie – natychmiastowe zwiększenie wydawanej mocy w razie
wyłączenia generatora lub linii zasilających w sieci zakładu GVEA. W tym celu do wejść
układu sterowania BESS doprowadzono informacje o połoŜeniu 30-tu wyłączników linii i
generatorów.
– regulacja szybkości i czasu ładowania baterii.
System w Fairbanks zawiera 13 760 wysokosprawnych ogniw Saft typu SBH 920
przeznaczonych do wielokrotnego ładowania. Ogniwa te połączono w cztery równoległe
gałęzie (po 3440 szt.) o znamionowym napięciu wyjściowym 5000 V i pojemności 3680 Ah.
KaŜdą z gałęzi moŜna bezpiecznie odseparować od pozostałej części systemu za pomocą
odłączników. Dodatkowe dwa odłączniki główne umoŜliwiają odłączenie całej baterii od
przekształtnika np. dla wykonania przeglądu. Po odłączeniu baterii sam przekształtnik moŜe
działać jako źródło mocy biernej dla sieci. Filtry w łączniku DC między baterią i
przekształtnikiem eliminują ryzyko powstania rezonansu dla wyŜszych harmonicznych
wywołanego przez nieliniowe obciąŜenie. Falownik (przekształtnik) napięcia zbudowano ze
standardowych modułów energoelektronicznych chłodzonych zdemineralizowaną wodą
krąŜącą w zamkniętym obiegu. KaŜdy tyrystorowy mostek modułu przyłączono do swojego
uzwojenia transformatora. Moce transformatorów i przekształtnika dobrano dla docelowej
konfiguracji systemu z ośmioma gałęziami ogniw. Ogniwa akumulatorowe zabudowano w
szufladowych zestawach (modułach) po 10 sztuk umieszczonych w regałach zajmujących
wnętrze hali o wymiarach 120 x 26 m. Łączna masa całej baterii wynosi 1300 ton.
Przewidywany czas eksploatacji baterii bez utraty jej własności wynosi 20-25 lat. Ten typ
ogniw moŜe dostarczać ładunku odpowiadającego 80% swej pojemności w ciągu 20 minut,
przy czym tak głębokie rozładowanie moŜna powtórzyć 800 razy. W razie niesprawności
dowolnego ogniwa wymienia się cały moduł, a cała operacja wykonywana za pomocą wózka
widłowego zajmuje do 30 minut.
Baterię systemu BESS wyposaŜono w układ monitoringu prowadzący ciągłe pomiary i
rejestrację napięcia kaŜdego modułu, prądu gałęzi, poziomu elektrolitu i temperatury
wewnętrznej. Łącza światłowodowe przenoszą dane z poszczególnych gałęzi baterii do
magistrali w ilości 5560 sygnałów co 30 sekund. Komputer układu monitoringu dokonuje
analizy danych, sporządza raporty i zapewnia wizualizację pracy BESS.
Oprócz podstawowego celu, jakim jest dostarczanie mocy w stanach awaryjnych, system
BESS na Alasce realizuje szereg zadań w zakresie przesyłu, rozdziału i wytwarzania energii
oraz poprawy jakości i niezawodności jej dostaw. W obszarze przesyłu i rozdziału
zasadniczymi korzyściami są sprawniejsza regulacja napięcia, lepsza stabilność systemu i
niŜsze straty w sieci. W zakresie generacji BESS pozwala na obniŜenie wirującej rezerwy
mocy, zapewnia natychmiastowe pokrywanie nagłych ubytków mocy, uruchomienie
rozproszonych spalinowych i gazowych źródeł po “blackoucie” (dla rozruchu turbiny
gazowej wymaga się zasilania silników pomocniczych przez 5-15 minut), wyrównywanie
krzywej obciąŜeń systemu i zmniejszanie obciąŜeń źródeł w szczycie energetycznym.
Ponadto działanie BESS poprawia jakość energii elektrycznej zapobiegając występowaniu
najkrótszych nawet przerw w napięciu zasilającym.
Zalety BESS w Fairbanks zostały docenione juŜ w 2003 r. Firma ABB otrzymała prestiŜową
nagrodę Platts Global Energy Award za wkład w rozwój największego na świecie układu
gromadzenia energii elektrycznej w oparciu o baterie. Późniejsza eksploatacja systemu
wykazała, Ŝe w ciągu dwóch następnych lat liczba przerw w zasilaniu odbiorców zmniejszyła
się aŜ o 65% oraz uniknięto 90 awaryjnych wyłączeń tysięcy odbiorców.