Lze BESS použít pro vyrovnávání špiček v městských elektrických sítích?

Porozumění vyrovnávání špiček a zatížení městských sítí

Městské elektrické sítě čelí základnímu nesouladu mezi nabídkou a poptávkou. Spotřeba elektřiny prudce stoupá ráno a večer, kdy komerční budovy, dopravní systémy a domácnosti současně odebírají energii. Rozdíl mezi základní zátěží a těmito špičkovými požadavky nutí provozovatele sítí udržovat rezervní výkon – elektrárny, které běží s částečným výkonem, spalují palivo a čekají na nárůst poptávky, který se může, ale nemusí skutečně vyskytnout.

Vyrovnaní špičkové zátěže řeší tuto neúčinnost snížením maximálního výkonu odebíraného ze sítě v obdobích vysoké poptávky. Namísto zvyšování výroby elektrické energie používají energetické podniky nebo velké spotřebitele uloženou energii k pokrytí rozdílu. Ekonomický přínos vyrovnaní špičkové zátěže se zvyšuje, jak se stává časově diferencované cenové nastavení elektřiny standardem na metropolitních trzích, kde mohou ceny za špičkovou spotřebu překročit ceny mimo špičku až třikrát a více.

BESS — systémy akumulace energie v bateriích — se staly dominantní technologií pro tento účel. Na rozdíl od tradičních systémů čerpací vodní energie, které vyžadují specifickou geografii, nebo od setrvačníkových systémů, jejichž využití je omezeno na krátkodobé výkonné špičky, lze bateriové úložné systémy škálovat od komerčních budov až po výrobní zařízení určená pro celé městské čtvrti.

Jak BESS provádí vyrovnaní špičkové zátěže v městském prostředí

Logika cyklického nabíjení a vybíjení

A bESS instalace připojená k městské podstanici nabíjí v období nízké zátěže — obvykle mezi půlnocí a 6:00 ráno, kdy výroba základní zátěže překračuje poptávku. Uložená energie se poté vrací do sítě během ranního špičkového období (7–10 hodin) a večerního špičkového období (17–21 hodin), čímž vyrovnává čistou křivku zátěže, kterou musí zpracovávat nadřazená přenosová síť.

Baterie s lithiem železem fosfátem (LiFePO4) dominují v městských nasazeních systémů akumulace elektrické energie (BESS) z několika důvodů. Jejich tepelná stabilita snižuje riziko požáru v hustě osídlených oblastech, kde událost tepelného rozbehnutí má nepřijatelné následky. Životnost přesahující 6 000 cyklů nabíjení a vybíjení při hloubce vybití 80 % znamená, že systém instalovaný dnes zůstane ekonomicky výkonný po dobu 15 až 20 let denního provozu pro vyrovnávání špiček.

Komunální energetická společnost v jihovýchodní Asii nasadila systém akumulace energie (BESS) o výkonu 20 MW a kapacitě 40 MWh na přetížené městské podstanici, kde fyzické omezení prostoru znemožnilo instalaci třetího transformátoru. Bateriový systém absorboval odpolední špičku o výkonu 15 MW způsobenou chlazením, čímž bylo odloženo přibližně 12 milionů USD kapitálových výdajů na modernizaci podstanice o odhadovaných sedm let.

Integrace se stávající infrastrukturou podstanice

Městské instalace BESS se obvykle připojují na úrovni středního napětí (10–35 kV) prostřednictvím zvyšujících transformátorů integrovaných do bateriového kontejneru nebo instalovaných vedle něj. Systém převodu výkonu (PCS) řídí obousměrný tok výkonu a přepíná mezi usměrňováním při nabíjení a střídavým napětím při vybíjení během několika milisekund po obdržení signálu řízení ze sítě.

Konfigurace BESS pro montáž na stojan jsou vhodné pro nasazení v budovách podstanic, kde je omezený prostor na podlaze. Skladatelné konstrukce BESS umožňují dodavatelům energie postupně zvyšovat kapacitu – začínají kontejnerem o kapacitě 5 MWh a postupně přidávají další jednotky v souladu s měnícími se požadavky na výkon. Tento modulární přístup snižuje počáteční kapitálové náklady ve srovnání se stavbou vyhrazeného zařízení BESS.

Technické požadavky pro nasazení BESS ve městském prostředí

Prostorové a bezpečnostní aspekty

Ve městských podstanicích je zřídka k dispozici volný pozemek pro rozsáhlé bateriové instalace. Kontejnerová řešení BESS tento problém řeší tím, že celý systém – baterie, měniče (PCS), tepelné řízení a protipožární ochrana – je předem vyroben ve standardních kontejnerových rozměrech, které lze umístit na stávající betonové plošiny podstanic.

Protokoly požární bezpečnosti vyžadují vícevrstevnou ochranu: monitorování na úrovni článků pro detekci odchylek napětí ještě před zahájením tepelného řetězového reakce, detekce plynů na úrovni modulů, která spouští ventilaci ještě před hromaděním hořlavých par elektrolytu, a automatické aktivování systémů aerosolového potlačení požáru na úrovni kontejnerů. Norma NFPA 855 stanovuje standard pro instalaci systémů akumulace energie, včetně požadavků na vzdálenosti oddělení a ventilaci, které musí být splněny i při nasazení v městském prostředí kvůli blízkosti obsazených budov.

Standardy propojení se sítí

IEEE 1547 upravuje propojení distribuovaných zdrojů energie, včetně BESS, se sítí. V městských nasazeních je nutné prokázat schopnost přežití poruchy – tedy zůstat připojen během krátkodobých poklesů napětí místo odpojení, což by zhoršilo nestabilitu sítě právě v okamžicích maximální zátěže, které systém má právě zmírnit. PCS musí synchronizovat svou frekvenci se sítí v toleranci ±0,5 Hz a reagovat na řídící signály distribučního podniku prostřednictvím integrace do systému SCADA.

Nejčastější dotazy

Jak velký BESS je potřebný pro vyrovnání špičkové zátěže v městském prostředí?

Pro komerční budovy se obvykle používají BESS o kapacitě 500 kWh až 2 MWh k vyrovnání špičkové zátěže na úrovni jedné budovy. Pro vyrovnání špičkové zátěže na úrovni rozvodní stanice je potřeba 10 až 50 MWh, v závislosti na zátěžových profilech jednotlivých vedení. Na úrovni celého městského distribučního systému se kapacity pohybují od 100 MWh a více. Velikost BESS závisí na velikosti špičkové zátěže, její trvání a požadovaném procentu snížení, nikoli na nějakém pevném vzorci.

Jak dlouho může BESS udržovat vybíjení za účelem vyrovnání špičkové zátěže?

Většina městských systémů pro vyrovnávání špiček je navržena na 2–4 hodiny nepřetržitého výstupu při jmenovitém výkonu. To pokrývá typické ranní nebo večerní špičkové období. Systémy s delší dobou výdrže (6–8 hodin) existují, ale mají vyšší náklady na kWh, které se zpravidla neosvědčují pro samotné vyrovnávání špiček; přesto přinášejí přidanou hodnotu prostřednictvím doplňkových služeb, jako je regulace frekvence.

Funguje vyrovnávání špiček pomocí BESS i při integraci obnovitelných zdrojů energie?

Ano. Kombinace BESS s fotovoltaickými panely na střeše nebo městskými větrnými elektrárnami vytváří hybridní systém, ve kterém přebytečná výroba z obnovitelných zdrojů v průběhu dne nabíjí baterii pro výdej energie ve večerní špičce. Tímto se řeší tzv. „kachní křivka“, kdy výroba ze slunečních panelů klesá právě v době, kdy se zvyšuje večerní poptávka po energii. Dodavatelé, jako např. Liaoning Sinotech Group, poskytují integrovaná řešení BESS a solární energie pro tento účel.

Jaký je rozdíl mezi BESS s montáží do racku a stackable BESS?

BESS pro montáž na stojan se vejde do standardních 19-palcových serverových stojanů pro vnitřní instalace v prostředích s regulovanými podmínkami. Skladovatelné BESS využívají počasím odolné venkovní skříně, které jsou elektricky propojené a komunikují prostřednictvím centrálního řídicího zařízení. Montáž na stojan je vhodná pro budovy řízení rozvodny; skladovatelné řešení je vhodné pro venkovní instalace na základových plošinách, kde není k dispozici vnitřní prostor.

Jak snižuje vyrovnávání špiček pomocí BESS náklady na elektřinu?

Komerční a průmysloví uživatelé s tarify podle času spotřeby se vyhýbají poplatkům za maximální odběr tím, že během cenových špiček čerpají energii z BESS. Poplatky za maximální odběr – stanovené podle nejvyššího 15minutového intervalu spotřeby každý měsíc – mohou představovat 30–70 % celkové faktury za elektřinu za zařízení. Vyrovnaní špiček tyto poplatky eliminuje nebo snižuje, aniž by se snížila skutečná spotřeba energie.

Jaká údržba je vyžadována u městské instalace BESS?

Čtvrtletní kontrola systému tepelného řízení, pololetní testování kapacity a nepřetržité dálkové monitorování prostřednictvím systému řízení baterií (BMS). Chemie LiFePO4 nevyžaduje doplňování elektrolytu, na rozdíl od olověně-kyselinových alternativ. Vyvažování článků probíhá automaticky prostřednictvím BMS během provozu při částečném stavu nabití, což je typické pro režimy vyrovnávání špiček.