Μπορεί το BESS να χρησιμοποιηθεί για την αιχμή των αστικών ηλεκτρικών δικτύων;

Κατανόηση της αιχμής και της τάσης στα αστικά δίκτυα

Τα αστικά ηλεκτρικά δίκτυα αντιμετωπίζουν μια θεμελιώδη αντιστοιχία μεταξύ προσφοράς και ζήτησης. Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται αισθητά τις πρωινές και βραδινές ώρες, όταν εμπορικά κτίρια, συστήματα μεταφοράς και οικιακοί χρήστες αντλούν ενέργεια ταυτόχρονα. Η διαφορά μεταξύ του βασικού φορτίου και αυτών των αιχμών ζήτησης υποχρεώνει τις εταιρείες ηλεκτρικής ενέργειας να διατηρούν ισχύ εφεδρείας σε λειτουργία — εργοστάσια παραγωγής ενέργειας που λειτουργούν σε μερική ισχύ, καίγοντας καύσιμο ενώ περιμένουν αιχμές ζήτησης που ενδέχεται ή όχι να πραγματοποιηθούν.

Η εξομάλυνση των κορυφών αντιμετωπίζει αυτήν την αναποτελεσματικότητα μειώνοντας τη μέγιστη ισχύ που αντλείται από το δίκτυο κατά τις περιόδους υψηλής ζήτησης. Αντί να αυξηθεί η παραγωγή, οι εταιρείες ηλεκτρικής ενέργειας ή οι μεγάλοι καταναλωτές χρησιμοποιούν αποθηκευμένη ενέργεια για να καλύψουν τη διαφορά. Η οικονομική αιτιολόγηση της εξομάλυνσης των κορυφών ενισχύεται όλο και περισσότερο καθώς η χρέωση της ηλεκτρικής ενέργειας βάσει ώρας χρήσης καθίσταται τυπική στις μητροπολιτικές αγορές, όπου οι τιμές κορύφωσης μπορούν να υπερβαίνουν τις τιμές εκτός κορύφωσης κατά παράγοντα τρεις ή περισσότερο.

BESS — Συστήματα Αποθήκευσης Ενέργειας με Μπαταρίες (BESS) — έχουν αναδειχθεί ως η κυρίαρχη τεχνολογία για αυτήν την εφαρμογή. Σε αντίθεση με την παραδοσιακή αποθήκευση με υδροηλεκτρική αντλητική εγκατάσταση, η οποία απαιτεί συγκεκριμένη γεωγραφία, ή τα συστήματα με τροχούς αδράνειας, τα οποία περιορίζονται σε σύντομες εκρήξεις ισχύος, η αποθήκευση με μπαταρίες κλιμακώνεται από εμπορικές κτιριακές εφαρμογές μέχρι εγκαταστάσεις επιχειρησιακής κλίμακας που εξυπηρετούν ολόκληρες αστικές περιοχές.

Πώς τα BESS εκτελούν την εξομάλυνση των κορυφών σε αστικά περιβάλλοντα

Λογική κύκλου φόρτισης-απόφορτισης

Α bESS η εγκατάσταση που συνδέεται με μια αστική υποσταθμό φορτίζεται κατά τις ώρες χαμηλής ζήτησης — συνήθως μεταξύ μεσονυκτίου και 6 π.μ., όταν η βασική παραγωγή υπερβαίνει τη ζήτηση. Η αποθηκευμένη ενέργεια διοχετεύεται ξανά στο δίκτυο κατά την πρωϊνή αιχμή (7–10 π.μ.) και την απογευματινή αιχμή (5–9 μ.μ.), εξομαλύνοντας την καθαρή καμπύλη φορτίου που πρέπει να διαχειριστεί το ανώτερο δίκτυο μεταφοράς.

Οι μπαταρίες λιθίου-σιδήρου-φωσφορικού (LiFePO4) κυριαρχούν στις αστικές εγκαταστάσεις BESS για διάφορους λόγους. Η θερμική τους σταθερότητα μειώνει τον κίνδυνο πυρκαγιάς σε πυκνοκατοικημένες περιοχές, όπου ένα γεγονός θερμικής απώλειας ελέγχου έχει απαράδεκτες συνέπειες. Η διάρκεια ζωής σε κύκλους υπερβαίνει τους 6.000 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης σε βάθος εκφόρτισης 80%, πράγμα που σημαίνει ότι ένα σύστημα που εγκαθίσταται σήμερα παραμένει οικονομικά αποδοτικό για 15–20 χρόνια καθημερινής λειτουργίας αιχμής.

Μια δημοτική υπηρεσία στη Νοτιοανατολική Ασία εγκατέστησε ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μπαταριών (BESS) ισχύος 20 MW/40 MWh σε μια υπερφορτωμένη αστική υποσταθμό, όπου οι περιορισμοί στον φυσικό χώρο απέτρεψαν την προσθήκη ενός τρίτου μετασχηματιστή. Το σύστημα μπαταριών απορρόφησε την αιχμή ισχύος 15 MW το απόγευμα από τα συστήματα κλιματισμού, αναβάλλοντας περίπου 12 εκατ. USD σε κεφαλαιακές δαπάνες για αναβάθμιση της υποσταθμού για περίπου επτά χρόνια.

Ενσωμάτωση με την υφιστάμενη υποσταθμική υποδομή

Οι αστικές εγκαταστάσεις BESS συνήθως συνδέονται στο επίπεδο μεσαίας τάσης (10–35 kV) μέσω μετασχηματιστών ανύψωσης τάσης που είναι ενσωματωμένοι στο δοχείο της μπαταρίας ή εγκαθίστανται δίπλα του. Το σύστημα μετατροπής ισχύος (PCS) διαχειρίζεται τη δικατευθυντική ροή ισχύος, μεταβάλλοντας τη λειτουργία του από ανόρθωση κατά τη φόρτιση σε αντιστροφή κατά την αποφόρτιση εντός χιλιοστών του δευτερολέπτου μετά τη λήψη σήματος διαχείρισης από το δίκτυο.

Οι διατάξεις BESS με εγκατάσταση σε ράφι κατάλληλες για εσωτερικές εγκαταστάσεις υποσταθμών, όπου ο διαθέσιμος χώρος στο δάπεδο είναι περιορισμένος. Οι επιστρώσιμες σχεδιαστικές λύσεις BESS επιτρέπουν στις εταιρείες διανομής να αυξάνουν βαθμιαία τη χωρητικότητα — ξεκινώντας από ένα δοχείο 5 MWh και προσθέτοντας μονάδες καθώς εξελίσσονται τα πρότυπα ζήτησης. Αυτή η τροποποιήσιμη προσέγγιση μειώνει την αρχική κεφαλαιακή δέσμευση σε σύγκριση με την κατασκευή μιας αφιερωμένης εγκατάστασης BESS.

Τεχνικές απαιτήσεις για την εγκατάσταση BESS σε αστικές περιοχές

Θέματα χώρου και ασφάλειας

Οι αστικοί υποσταθμοί σπάνια διαθέτουν ελεύθερο έδαφος για μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις μπαταριών. Οι λύσεις BESS σε δοχεία αντιμετωπίζουν αυτό το πρόβλημα προκατασκευάζοντας ολόκληρο το σύστημα — μπαταρίες, μετατροπείς ισχύος (PCS), συστήματα διαχείρισης θερμότητας και κατασβεστικά συστήματα — σε τυποποιημένες διαστάσεις δοχείων μεταφοράς, τα οποία μπορούν να τοποθετηθούν σε υπάρχουσες επιφάνειες από σκυρόδεμα στους υποσταθμούς.

Τα πρωτόκολλα ασφαλείας κατά της πυρκαγιάς απαιτούν προστασία σε πολλαπλά επίπεδα: παρακολούθηση σε επίπεδο κελιού για την ανίχνευση ανωμαλιών τάσης πριν από την έναρξη θερμικής απώλειας ελέγχου, ανίχνευση αερίων σε επίπεδο μονάδας που ενεργοποιεί εξαερισμό πριν από τη συσσώρευση εύφλεκτων ατμών ηλεκτρολύτη, και συστήματα αεροζόλ πυρόσβεσης σε επίπεδο δοχείου που ενεργοποιούνται αυτόματα. Το πρότυπο NFPA 855 καθορίζει τα πρότυπα εγκατάστασης για συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, καθορίζοντας αποστάσεις διαχωρισμού και απαιτήσεις εξαερισμού που πρέπει να πληρούν οι αστικές εγκαταστάσεις λόγω της εγγύτητάς τους με κτίρια που χρησιμοποιούνται από ανθρώπους.

Πρότυπα Σύνδεσης με το Δίκτυο

Το πρότυπο IEEE 1547 διέπει τη σύνδεση κατανεμημένων πόρων ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας μπαταριών (BESS), με το δίκτυο. Στις αστικές εγκαταστάσεις πρέπει να αποδεικνύεται η ικανότητα «ride-through» — δηλαδή η διατήρηση της σύνδεσης κατά τη διάρκεια σύντομων πτώσεων τάσης, αντί για αποσύνδεση, η οποία θα επιδείνωνε την αστάθεια του δικτύου κατά τις ίδιες τις ακμαίες στιγμές που το σύστημα σχεδιάστηκε για να μειώσει. Το σύστημα μετατροπής ισχύος (PCS) πρέπει να συγχρονίζεται με τη συχνότητα του δικτύου εντός ±0,5 Hz και να ανταποκρίνεται σε σήματα διαχείρισης από την εταιρεία διανομής ενέργειας μέσω ολοκλήρωσης με σύστημα SCADA.

Συχνές Ερωτήσεις

Ποια είναι η απαιτούμενη χωρητικότητα BESS για αστική εξομάλυνση αιχμής;

Οι εμπορικές κτιριακές εφαρμογές απαιτούν συνήθως 500 kWh έως 2 MWh για εξομάλυνση αιχμής σε επίπεδο εγκατάστασης. Για εξομάλυνση αιχμής σε επίπεδο υποσταθμού διανομής απαιτούνται 10–50 MWh, ανάλογα με τα προφίλ φορτίου των γραμμών. Οι αστικές εφαρμογές σε επίπεδο εταιρείας διανομής ενέργειας κυμαίνονται από 100 MWh και άνω. Η διάσταση του συστήματος εξαρτάται από το μέγεθος της αιχμής ζήτησης, τη διάρκειά της και το επιθυμητό ποσοστό μείωσης, και όχι από κάποιο σταθερό τύπο.

Για πόσο χρόνο μπορεί ένα BESS να διατηρήσει την εκφόρτιση για εξομάλυνση αιχμής;

Τα περισσότερα αστικά συστήματα «ομαλοποίησης κορυφών» στοχεύουν σε 2–4 ώρες συνεχούς απόδοσης στην ονομαστική ισχύ. Αυτό καλύπτει το τυπικό παράθυρο κορύφωσης το πρωί ή το βράδυ. Υπάρχουν συστήματα μεγαλύτερης διάρκειας (6–8 ώρες), αλλά επιφέρουν υψηλότερο κόστος ανά kWh, το οποίο σπάνια δικαιολογεί την επιπλέον χωρητικότητα αποκλειστικά για ομαλοποίηση κορυφών, παρόλο που προσθέτουν αξία μέσω παρεπόμενων υπηρεσιών όπως η ρύθμιση συχνότητας.

Λειτουργεί η ομαλοποίηση κορυφών με BESS μαζί με την ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας;

Ναι. Η σύζευξη BESS με φωτοβολταϊκά στέγης ή αστική αιολική παραγωγή δημιουργεί ένα υβριδικό σύστημα, όπου η περίσσεια παραγωγής ανανεώσιμης ενέργειας το μεσημέρι φορτίζει την μπαταρία για απόδοση κατά την κορύφωση το βράδυ. Αυτό αντιμετωπίζει το πρόβλημα της «καμηλοπαρδαλίδας» (duck curve), όπου η παραγωγή φωτοβολταϊκής ενέργειας μειώνεται ακριβώς τη στιγμή που αυξάνεται η ζήτηση το βράδυ. Προμηθευτές όπως η Liaoning Sinotech Group προσφέρουν ολοκληρωμένες λύσεις BESS και φωτοβολταϊκά για αυτήν την εφαρμογή.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ rack-mounting και stackable BESS;

Το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με βάση την μπαταρία (BESS) για εγκατάσταση σε ράφι ταιριάζει σε τυποποιημένους καβινέτους δικτύου 19 ιντσών για εσωτερικές εγκαταστάσεις με ελεγχόμενο περιβάλλον. Το στοιβάσιμο BESS χρησιμοποιεί αδιάβροχα εξωτερικά καβινέτα που συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους και επικοινωνούν μέσω ενός κεντρικού ελεγκτή. Η εγκατάσταση σε ράφι κατάλληλη για κτίρια ελέγχου υποσταθμών· το στοιβάσιμο BESS κατάλληλο για εξωτερική εγκατάσταση σε πλατφόρμα όπου δεν υπάρχει διαθέσιμος εσωτερικός χώρος.

Πώς η επίπεδη αιχμής του BESS μειώνει το κόστος ηλεκτρικού;

Οι εμπορικοί και βιομηχανικοί χρήστες που εφαρμόζουν ταρίφες με εξαρτώμενη από τον χρόνο χρέωση αποφεύγουν τις επιβαρύνσεις ζήτησης αντλώντας ενέργεια από το BESS κατά τις περιόδους αιχμής τιμολόγησης. Οι επιβαρύνσεις ζήτησης — που βασίζονται στο υψηλότερο διάστημα κατανάλωσης 15 λεπτών κάθε μήνα — μπορούν να αντιπροσωπεύουν το 30–70% του συνολικού λογαριασμού ηλεκτρικού μιας εγκατάστασης. Η επίπεδη αιχμής εξαλείφει ή μειώνει αυτές τις επιβαρύνσεις χωρίς να μειώνει την πραγματική κατανάλωση ενέργειας.

Ποια συντήρηση απαιτεί μια αστική εγκατάσταση BESS;

Εξέταση του συστήματος διαχείρισης θερμότητας κάθε τρίμηνο, δοκιμή χωρητικότητας δύο φορές τον χρόνο και συνεχής απομακρυσμένη παρακολούθηση μέσω του συστήματος διαχείρισης μπαταριών (BMS). Η χημεία LiFePO4 δεν απαιτεί αναπλήρωση ηλεκτρολύτη, σε αντίθεση με τις εναλλακτικές λύσεις μολύβδου-οξέος. Η ισορρόπηση των κελιών πραγματοποιείται αυτόματα μέσω του BMS κατά τη λειτουργία με μερική φόρτιση, η οποία είναι χαρακτηριστική για κύκλους λειτουργίας με αιχμή.