Jak działa magazynowanie energii w sieci

Awaria zaczęła się w Ohio, zepsuła ruch w Michigan, zgasiła światła w Kanadzie, a potem przyniosła ciemność do Nowego Jorku, miasta, które nigdy nie śpi. Pod koniec zaciemnienia północno-wschodniego w 2003 r. region stracił około 6 miliardów dolarów.

Jak myślisz, co spowodowało tak wielkie zaciemnienie – coś niezwykłego? Czy ktoś sabotował sieć? Czy było trzęsienie ziemi? Nie – nie było żadnego złowrogiego planu ani klęski żywiołowej – tylko kilka standardowych czkawek. Amerykańska sieć energetyczna działała jak zwykle, ale potem pojawiły się jej usterki, pomogły awarie komputerów i kilka nieznośnych drzew i voila – około 50 milionów ludzi było pozbawionych prądu.

Według Imre Gyuka, który zarządza Programem Badań nad Magazynowaniem Energii w Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych, możemy uniknąć ogromnych przerw w dostawie prądu, takich jak ta z 2003 roku, przechowując energię w sieci elektrycznej. Energia może być magazynowana w jednostkach w elektrowniach, wzdłuż linii przesyłowych, w podstacjach oraz w lokalizacjach w pobliżu klientów. W ten sposób, gdy zdarzają się małe katastrofy, zmagazynowana energia może dostarczać energię elektryczną w dowolnym miejscu wzdłuż linii.

Brzmi jak duży projekt i tak jest. Ale prawie każdy system, który z powodzeniem obsługuje wielu klientów, zachowuje rezerwę. Pomyśl o tym. Banki trzymają rezerwę. Duże sklepy, takie jak Target i Wal-Mart, mają rezerwę. Czy McDonald's mógłby obsłużyć miliardy, nie mając wiecznie zaopatrzonych spiżarni i zamrażarek? Ponieważ amerykańska sieć elektryczna działa na zasadzie szyfrowania, a nie rezerw, jest przygotowana na kłopoty. Zobacz, co mamy na myśli na następnej stronie.

1. Znaczenie magazynowania energii w sieci w zwykłe dni
2. Znaczenie magazynowania energii w sieci w dni nadzwyczajne
3. Rodzaje magazynowania energii w sieci: elektrownie wodne pompowane
4. Rodzaje magazynowania energii w sieci: koła, płyty i pętle
5. Rodzaje magazynowania energii w sieci: ogniwa
6. Ekonomika magazynowania energii w sieci

W zwykły dzień firmy energetyczne planują, ile energii elektrycznej wyprodukować następnego dnia. Próbują przewidzieć, co zrobią klienci, głównie poprzez odczytywanie historycznych zapisów użytkowania tego samego dnia poprzedniego roku. Następnie dostosowują te dane do aktualnej prognozy pogody na następny dzień.

„Nie da się dokładnie przewidzieć, jakie będzie zapotrzebowanie na energię w danym momencie”, mówi John Boyes, który zarządza programem magazynowania energii w Sandia National Laboratories. W tym scenariuszu przedsiębiorstwa użyteczności publicznej wytwarzają więcej lub mniej energii elektrycznej niż zużywają klienci. Niedopasowanie wysyła fale przez sieć, w tym zmiany częstotliwości prądu przemiennego, które, jeśli nie są kontrolowane, mogą uszkodzić elektronikę. Regionalni menedżerowie ds. energii elektrycznej lub niezależni operatorzy systemów (ISO) wkraczają i próbują wypełnić lukę, prosząc niektóre elektrownie o zmianę ilości wytwarzanej energii elektrycznej. Ale elektrownie jądrowe i kopalne nie są w stanie zrobić tego szybko. Ich powolność pogłębia niedopasowanie między podażą a popytem na energię elektryczną.

Zastanówmy się teraz, co dzieje się w upalny dzień w Los Angeles, kiedy ludzie w całym mieście uruchamiają swoje klimatyzatory. Są to warunki szczytowego zapotrzebowania , kiedy większość klientów zużywa najwięcej energii elektrycznej, co ma miejsce przez kilka godzin przez pięć do dziesięciu dni w roku. W te dni do akcji wkraczają obiekty znane jako rośliny szczytowe . Te drogie elektrownie na paliwa kopalne są bezczynne przez cały rok i mogą emitować więcej zanieczyszczeń powietrza niż duże elektrownie węglowe. „Nie chcielibyśmy robić tego w tak zadymionym mieście jak Los Angeles, ale i tak to robimy” – mówi Imre Gyuk. Jeśli szczytowe elektrownie zawodzą, przedsiębiorstwa użyteczności publicznej płacą dużym klientom, takim jak huty aluminium, za zużywanie mniejszej ilości energii elektrycznej. „Jeśli nic nie działa, masz przerwy w dostawie prądu i przerwy w dostawach”, mówi Gyuk.

Tymczasem stare podstacje są przeciążone. Przenoszą więcej prądu, niż mają udźwignąć, a metalowe konstrukcje nagrzewają się. „To nie jest zalecana praktyka” – mówi Boyes.

Jeśli sieć elektryczna brzmi zestresowana, jeszcze nic nie widziałeś. Czytaj.

Może to nie jest zwykły dzień. Może drzewo spadnie na linię energetyczną lub uderzy w nie piorun. Te zakłócenia spowodują obniżenie napięcia linii do zamierzonej wartości. Wahania napięcia resetują komputery. Teraz twój budzik miga 12:00. Albo gorzej: „W przypadku wszystkich zautomatyzowanych procesów produkcyjnych, jeśli komputer się zresetuje, zakończy proces. Jeśli jesteś producentem tworzyw sztucznych, a twoje maszyny stygną, plastik twardnieje w twoich maszynach”, mówi Boyes.

A co, jeśli wydarzenia jednego dnia przekraczają wysiłki mediów, aby zrekompensować? Tak, zgadłeś – stoisz w obliczu zaciemnienia. Z pewnością wydarzyło się to na północnym wschodzie w 2003 roku.

Skoro sieć już się psuje, trudno wyobrazić sobie dodanie większej ilości odnawialnych źródeł energii, takich jak energia wiatrowa i słoneczna, ponieważ są to przerywane źródła energii. Wiemy, że klienci są nieprzewidywalni, ale teraz też elektryczność. Kiedy wiatr niespodziewanie ginie, farma wiatrowa może stracić 1000 megawatów w ciągu kilku minut, a następnie musi szybko kupować i importować energię elektryczną dla swoich klientów.

Alternatywą jest zatem zastosowanie elektrowni na paliwa kopalne w stylu peaker, ale to zwiększa zanieczyszczenie powietrza do czystej energii elektrycznej. Albo natura może panować. Na farmach wiatrowych w Teksasie wiatr wieje prawie wyłącznie w nocy, gdy popyt jest niski, a cena energii elektrycznej staje się ujemna. „Oznacza to, że musisz zapłacić sieci, aby podłączyć do niej prąd” – mówi Gyuk. „Rozmawiałem z kimś, kto całą noc włącza klimatyzację, żeby schłodzić dom, bo dostaje ją za darmo. Potem zamyka okna”.

Według Gyuka problemy te pogorszą się, gdy będziemy używać więcej elektroniki i energii elektrycznej. Więc jaka może być odpowiedź na te problemy? Magazynowanie energii w sieci.

Zanim zagłębimy się w ten temat, ważne jest, aby zrozumieć, co to znaczy magazynować energię. Zadaniem sieci jest dostarczanie każdemu klientowi energii elektrycznej o napięciu 120 woltów i 60 Hz. Odbywa się to poprzez dodanie lub usunięcie prądu z sieci. Urządzenie pamięci masowej pomaga, dodając lub usuwając prąd dokładnie wtedy, gdy jest to potrzebne.

Czytaj dalej, aby dowiedzieć się, jak magazynowanie energii może wzmocnić sieć.

Elektrownie pompowe wykorzystują spadającą wodę do wytwarzania energii elektrycznej. Przykład tego można zobaczyć w Raccoon Mountain w Tennessee. U podnóża góry Zarząd Doliny Tennessee (TVA) stworzył jezioro, wysysając część rzeki Tennessee.

Kiedy klienci nie zużywają dużo energii elektrycznej, TVA przekierowuje energię elektryczną z innych elektrowni do elektrowni w górach. Elektryczność obraca turbiny domu do tyłu, wypychając wodę z jeziora tunelem w górach na szczyt. Po 28 godzinach górny basen jest pełny. Aby wytworzyć prąd, TVA otwiera odpływ w górnym basenie. Woda spada prosto przez środek góry i obraca turbiny do przodu, wytwarzając prąd. Przypada na 22 godziny, stale wytwarzając 1600 megawatów energii elektrycznej, dorównując mocą dużej elektrowni węglowej. TVA dodaje tę energię elektryczną do wkładu z innych elektrowni w dniach dużego zapotrzebowania [źródło: TVA ].

Elektrownie pompowe działają na całym świecie, wytwarzając od 200 do 2000 megawatów energii w dni szczytowego zapotrzebowania [źródło: Cole ]. Nie emitują zanieczyszczeń powietrza, a po naładowaniu są online w 15 minut, szybciej i bardziej ekologicznie niż elektrownie szczytowe. Jedynym problemem jest to, że „kończą nam się dobre strony”, mówi Gyuk.

Magazynowanie energii sprężonym powietrzem ( CAES ) to magazynowanie dla elektrowni zasilanych gazem ziemnym. Zwykle instalacje te spalają gaz ziemny w celu podgrzania powietrza, które popycha turbinę w generatorze. Kiedy elektrownie gazu ziemnego znajdują się w pobliżu podziemnej dziury, takiej jak jaskinia lub stara kopalnia, mogą korzystać z CAES. W wolne dni elektrownia może wytwarzać energię elektryczną, aby uruchomić sprężarkę, która spręża powietrze z zewnątrz i wpycha je do podziemnego otworu. W dni, w których klienci potrzebują maksymalnej ilości energii elektrycznej, elektrownia może wypuścić sprężone powietrze na turbinę, popychając ją wraz z normalnym podgrzanym powietrzem. To sprężone powietrze może pomóc przez wiele godzin, stale dodając 25 megawatów do 2700 megawatów energii elektrycznej do produkcji elektrowni w dni szczytowego zapotrzebowania [źródło: Cole ].

Czytaj dalej, aby dowiedzieć się, gdzie jeszcze możemy przechowywać energię w sieci.

Wyluzuj się

Urządzenia pamięci masowej sprytnie wytwarzają i wykorzystują prąd — w procesie, który można odwrócić, aby przywrócić prąd. Na przykład hydroelektrownia z pompą wykorzystuje prąd do pompowania wody na wysokość. Kiedy potrzebujemy prądu z powrotem, spuszczamy wodę na układ napędowy generatora. Gdzie jest energia na tym obrazku? Jest tam cały czas, przekazywana jak pieniądze między kontami bankowymi. Energia zaczyna się jako energia elektryczna w sieci, zmienia się w energię potencjalną grawitacji, gdy woda jest wysoka, a gdy woda spada, aby napędzać generator, ponownie staje się energią elektryczną w sieci.

Poszukaj odwróceń i transferu energii w każdej metodzie przechowywania, którą opisujemy w tym artykule.

Teraz nadszedł czas, aby przyjrzeć się pamięci masowej, która przez dłuższy czas dostarcza duże ilości energii elektrycznej lub mniej. Systemy te nie są w stanie przesyłać klientom dużej ilości energii elektrycznej przez cały dzień, tak jak elektrownie pompowe i CAES.

Koła zamachowe magazynują energię, obracając się. Najszybsze z nich składają się z silnika, lewitującego magnesu, tarcia próżni do zera i powłoki dla bezpieczeństwa. Gdy w sieci dostępna jest dodatkowa energia elektryczna, może ona uruchomić silnik, który obraca magnes. Gdy potrzebna jest energia elektryczna, koła zamachowe mogą ją rozkręcić w ciągu kilku minut lub godzin, zależnie od sytuacji.

W sieci elektrycznej koła zamachowe są dobrej jakości kontrolerami. Są dobre w zakresie częstotliwości stabilizującej, która, jak wspomnieliśmy, waha się dziś w USA powyżej i poniżej 60 Hz. Gwałtuje, gdy przedsiębiorstwa wytwarzają więcej energii elektrycznej niż konsumenci, i spada, gdy przedsiębiorstwa wytwarzają mniej. Koła zamachowe zmieniają sytuację, ponieważ ISO mogą sterować nimi bezpośrednio – w końcu będą działać automatycznie – tak, że nikt nie musi dzwonić do Jane do elektrowni A i czekać, aż podniesie lub obniży generację, aby naprawić problem częstotliwości. Dzięki szybkiej reakcji częstotliwość można wyrównać, zanim odczuje to klient. W rzeczywistości kilka USISO testuje klocki koła zamachowego [źródło: Beacon Power 1 , Beacon Power 2 , Beacon Power 3 ].

Innym zastosowaniem kół zamachowych jest stabilizowanie napięcia w sieci. Co mogłoby zmienić napięcie na tych wytrzymałych liniach wysokiego napięcia? Wypróbuj efekty domina z przerw w dostawie prądu, powalonych drzew i pociągów elektrycznych. Gdy pociągi metra lub lekkiej kolei hamują, wytwarzają energię elektryczną, podnosząc napięcie i powodując lokalne skoki prądu. Kiedy pociągi przyspieszają ze stacji, pobierają prąd, powodując spadek napięcia i wysysając prąd z innych miejsc. Koła zamachowe mogą pochłaniać i uwalniać prąd, pozostawiając resztę siatki w spokoju. W rzeczywistości były testowane w pociągach metra w Nowym Jorku [źródło: Kennedy ].

Koła zamachowe świetnie sprawdzają się również w farmach wiatrowych, gdzie mogą rozkręcić dodatkową energię elektryczną podczas podmuchów i wypluć ją podczas awarii, dzięki czemu klienci nie cierpią z powodu wahań.

Superkondensatory , nawet szybsze niż koła zamachowe, gromadzą energię poprzez oddzielanie ładunków. Są „super”, bo przechowują więcej energii niż tradycyjne kondensatory, ale działają w ten sam sposób. Gdy jest dodatkowa energia elektryczna, może być wykorzystana do wypychania ładunków z niektórych metalowych płyt na inne, pozostawiając niektóre naładowane dodatnio, a inne ujemnie. Kiedy potrzebna jest energia elektryczna, płytki neutralizują się, a ładunek przepływa, wytwarzając prąd. W Madrycie, Pekinie i innych miastach szafy pełne superkondensatorów buforują pociągi elektryczne [źródło: Siemens ].

Nadprzewodnikowe magazynowanie energii magnetycznej lub SMES to kolejny sposób na pozbycie się spadków i skoków napięcia w sieci. Podczas skoków pętle drutu pobierają dodatkowy prąd, a podczas spadków pętle zwracają prąd do sieci. Ponieważ drut prawie nie ma rezystancji, przechowuje prąd prawie bez strat.

Dalej – systemy magazynowania energii, których wielu z nas używa na co dzień: baterie.

Baterie są jak zestawy Lego do siatki. Występują w wielu typach, można je układać lub powiększać, aby przechowywać więcej energii i mogą napędzać energię elektryczną przez sekundy do godzin. Jeśli chodzi o długowieczność, znajdziesz akumulatory przepływowe wielkości przyczepy, takie jak redoks wanadu i bromek cynku oraz akumulatory wysokotemperaturowe, takie jak siarka sodowa . Mogą one dostarczać do 20 megawatów energii przez godziny [źródło: Gyuk ]. Jeśli chodzi o zwiększenie mocy, obecnie powszechnie stosuje się akumulatory kwasowo-ołowiowe . Inne baterie to metal-powietrze , litowo-jonowe , niklowo-kadmowe i ołowiowo-węglowe. Wszystkie baterie zużywają i uwalniają energię poprzez reakcje chemiczne.

Baterie znajdują się w całej amerykańskiej sieci elektrycznej, zwykle po stronie klienta, gdzie fabryki i być może komputery w twoim biurze korzystają z zasilacza awaryjnego lub UPS do obsługi elektroniki działającej podczas przerw w dostawie prądu.

Ale baterie również wspierają wnętrzności sieci. W Charleston w Wirginii podstacja przegrzewała się za każdym razem, gdy zbyt wielu klientów pobierało przez nią prąd. Następnie firma American Electric Power zainstalowała akumulator do dostarczania energii elektrycznej w dni szczytowego zapotrzebowania, a podstacja przestała się przegrzewać. Mieszkańcy Alaski cierpieli z powodu każdej usterki w linii energetycznej między Anchorage a Fairbanks, dopóki nie zainstalowali akumulatora wielkości boiska do piłki nożnej, aby zakryć linię podczas awarii i naprawy.

Baterie mogą również pomóc farmom wiatrowym w miejscach, gdzie wiatr wieje tylko w nocy, a klienci zużywają energię w ciągu dnia.

Mówi się, że pewnego dnia użyjesz hybrydowych samochodów elektrycznych typu plug-in lub PHEV , z akumulatorami ładowanymi po podłączeniu do gniazdka ściennego w celu uzyskania komercyjnej energii elektrycznej. Dzięki odpowiedniemu okablowaniu w domu zaparkowany samochód może obsługiwać zmywarkę. W odległej przyszłości wiele samochodów podłączonych do wielu garaży będzie mogło przesyłać energię elektryczną tam, gdzie jest potrzebna w sieci w aplikacji o nazwie pojazd do sieci lub V2G . Ale to wiele lat, ponieważ gniazdko w ścianie nie może pobierać prądu z akumulatora, a samochody nie są komercyjne.

Czy to brzmi praktycznie? Czytaj dalej, aby dowiedzieć się, ile to wszystko kosztuje.

„Jeśli chodzi o rzeczywiste koszty, magazynowanie energii nie jest tanie”, mówi Imre Gyuk.

Widzimy, jakie są dzisiejsze koszty, ale spadną, gdy więcej pamięci trafi do sieci. Zacznijmy od magazynowania w elektrowniach. Jak dowiedzieliśmy się wcześniej, firma elektryczna może magazynować energię w elektrowni, aby dostarczać energię w dni o dużym zapotrzebowaniu. Elektrownia będzie potrzebowała dużej mocy przez cały dzień, a tylko sprężone powietrze i hydroelektrownia mogą ją dostarczyć. Za każde 700 USD, które płaci za system sprężonego powietrza, przedsiębiorstwo otrzymuje 1 kilowat energii elektrycznej, dostarczanej przez ponad 20 godzin, co wystarczy do obsługi jednego ekspresu do kawy przez cały dzień [źródło: EAC , NSTAR ]. Elektrownia wodna pompowana kosztuje więcej – 2250 dolarów za kilowat.

W przypadku mocy, która trwa od minut do godzin, akumulatory litowo-jonowe kosztują 1100 USD za kilowat (lub ekspres do kawy), koła zamachowe kosztują 1250 USD za kilowat, akumulatory przepływowe kosztują 2500 USD za kilowat, a akumulatory wysokotemperaturowe, takie jak sód-siarka, kosztują 3100 USD za kilowat [źródło : EAC ]. A przechowywanie w superkondensatorach kosztuje jeszcze więcej.

Ale według Gyuka dostajemy dużo za naszą inwestycję w magazynowanie. Otrzymujemy sieć zdolną obsłużyć więcej elektrowni wiatrowych i słonecznych, bez koszmarów dostaw. Otrzymujemy mniej roślin szczytowych, co oznacza mniejszą emisję dwutlenku węgla i zanieczyszczenie powietrza. I otrzymujemy ochronę przed awariami, które według Gyuka kosztują 33 centy z każdego dolara wydanego na elektryczność [źródło: Gyuk 2008 ]. 

Firmy energetyczne i ISO zapłacą za magazynowanie, jeśli zdecydują się je zainstalować. „Cena przechowywania spada. Cena rozwiązywania problemów innymi sposobami rośnie. Wkrótce ceny te przekroczą” — zauważa Boyes, sugerując, że koszty mogą pobudzić dodanie pamięci masowej do sieci.

Czy stawki za prąd dla konsumentów w końcu spadną? Być może. Przy wystarczającej ilości magazynowania, przedsiębiorstwa użyteczności publicznej będą w stanie wytwarzać energię elektryczną w bardziej kontrolowany sposób. Będą lepiej wykorzystywać sprzęt w sieci, taki jak linie przesyłowe i podstacje, zamiast je wymieniać lub powiększać.

Nawet jeśli ceny energii elektrycznej dla konsumentów wzrosną, „będziemy mieli lepszy system”, mówi Gyuk.

Regulacja częstotliwości

Aby zobaczyć animację pokazującą, jak amerykańska sieć elektryczna reguluje dziś częstotliwość i jak można to zrobić w przyszłości za pomocą kół zamachowych, kliknij tutaj , a następnie wybierz „Koła zamachowe i regulacja częstotliwości”. (Ostrzeżenie: interesująca animacja jest owinięta wokół reklamy systemu pamięci masowej.)

Powiązane artykuły