Czy system BESS można wykorzystać do obcinania szczytów obciążenia w miejskich sieciach energetycznych?

Zrozumienie ograniczania szczytowego obciążenia i napięć w miejskiej sieci elektroenergetycznej

Miejskie sieci elektroenergetyczne napotykają podstawowy niedobór zgodności między dostawą a popytem na energię elektryczną. Zużycie energii wzrasta gwałtownie rano i wieczorem, gdy budynki biurowe, systemy komunikacji miejskiej oraz użytkownicy domowi jednoczesnie pobierają moc. Przerwa między obciążeniem podstawowym a tymi szczytowymi zapotrzebowaniami zmusza zakłady energetyczne do utrzymywania rezerwy wirującej — elektrowni pracujących w częściowej mocy, spalających paliwo w oczekiwaniu na wzrost zapotrzebowania, który może, ale nie musi nastąpić.

Wyrównywanie szczytów zapotrzebowania eliminuje tę nieefektywność, ograniczając maksymalną moc pobieraną z sieci w okresach wysokiego zapotrzebowania. Zamiast zwiększać produkcję energii, dostawcy energii lub крупni odbiorcy wykorzystują energię zmagazynowaną do pokrycia różnicy. Uzasadnienie ekonomiczne wyrównywania szczytów staje się coraz silniejsze wraz z wprowadzaniem standardowych taryf czasowo-zależnych w miastach, gdzie ceny w godzinach szczytowych mogą przekraczać ceny w godzinach pozaszczytowych nawet trzykrotnie lub więcej.

Bess — Systemy magazynowania energii na bazie akumulatorów (BESS) — stały się dominującą technologią w tym zastosowaniu. W przeciwieństwie do tradycyjnego magazynowania energii metodą pompowania wody, które wymaga określonej geografii, czy systemów z wirującymi masami, ograniczonych do krótkotrwałych impulsów mocy, magazynowanie energii za pomocą akumulatorów skaluje się od zastosowań komercyjnych w budynkach po instalacje na skalę sieciową obsługujące całe miejskie dzielnice.

Jak BESS wykonuje wyrównywanie szczytów w środowisku miejskim

Logika cykli ładowania i rozładowania

A bess instalacja połączona z miejską stacją transformatorową ładowana jest w godzinach niskiego zapotrzebowania — zwykle w nocy, między północą a 6:00 rano, kiedy generacja podstawowa przekracza popyt. Zmagazynowana energia jest następnie oddawana do sieci w porannym szczytowym okresie (7:00–10:00) i wieczornym szczytowym okresie (17:00–21:00), co spłaszcza krzywą netto obciążenia, którą musi obsługiwać wyższy poziom sieci przesyłowej.

Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4) dominują w miejskich wdrożeniach systemów BESS z kilku powodów. Ich stabilność termiczna zmniejsza ryzyko pożaru w gęsto zaludnionych obszarach, gdzie zdarzenie termicznego rozbiegu miałoby nieakceptowalne skutki. Życie cykliczne przekraczające 6000 cykli ładowania i rozładowania przy głębokości rozładowania 80% oznacza, że system zainstalowany dziś pozostanie ekonomicznie produktywny przez 15–20 lat codziennej pracy w trybie ograniczania szczytów mocy.

Miejski zakład energetyczny w Azji Południowo-Wschodniej wdrożył system magazynowania energii o mocy 20 MW/40 MWh w przepełnionej miejskiej stacji transformatorowej, gdzie ograniczenia przestrzenne uniemożliwiły dodanie trzeciego transformatora. System akumulatorów pochłonął szczytowe obciążenie klimatyzacji o mocy 15 MW w godzinach popołudniowych, odkładając koszty inwestycyjne związane z modernizacją stacji transformatorowej w wysokości około 12 mln USD o około siedem lat.

Integracja z istniejącą infrastrukturą stacji transformatorowej

Instalacje miejskich systemów magazynowania energii (BESS) zwykle są podłączone na poziomie średniego napięcia (10–35 kV) za pośrednictwem transformatorów podwyższających zintegrowanych z kontenerem akumulatorów lub zainstalowanych obok niego. System konwersji mocy (PCS) kontroluje dwukierunkowy przepływ mocy, przełączając się z prostowania podczas ładowania na falownik podczas rozładowywania w ciągu milisekund po otrzymaniu sygnału sterującego od sieci.

Konfiguracje systemów magazynowania energii z montażem na szafach są odpowiednie do wdrożeń w stacjach elektroenergetycznych wewnątrz budynków, gdzie powierzchnia podłogi jest ograniczona. Konstrukcje BESS przeznaczone do układania jeden na drugim pozwalają operatorom sieci elektrycznej stopniowo zwiększać moc — rozpoczynając od kontenera o pojemności 5 MWh i dodając kolejne jednostki w miarę ewolucji wzorców zapotrzebowania. Takie podejście modułowe zmniejsza początkowe zobowiązania kapitałowe w porównaniu z budową dedykowanego obiektu BESS.

Wymagania techniczne dla wdrożeń BESS w środowisku miejskim

Uwagi dotyczące przestrzeni i bezpieczeństwa

Stacje elektroenergetyczne w środowisku miejskim rzadko dysponują wolnym terenem przeznaczonym na instalacje baterii na dużą skalę. Rozwiązania BESS w postaci kontenerów eliminują ten problem, ponieważ cały system — baterie, konwertery mocy (PCS), zarządzanie temperaturą oraz systemy gaszenia pożarów — jest wstępnie wykonywany w standardowych formatach kontenerów transportowych, które można rozmieszczać na istniejących betonowych płytach w stacjach elektroenergetycznych.

Protokoły bezpieczeństwa pożarowego wymagają ochrony wielowarstwowej: monitorowanie na poziomie ogniw wykrywające anomalie napięcia jeszcze przed rozpoczęciem rozbieżności termicznej, wykrywanie gazów na poziomie modułów aktywujące wentylację zanim skumulują się palne pary elektrolitu oraz systemy gaśnicze oparte na aerozolu działające automatycznie na poziomie kontenerów. Norma NFPA 855 określa standardy instalacji systemów magazynowania energii, w tym odległości separacyjne i wymagania dotyczące wentylacji, które muszą być spełnione przy wdrożeniach w środowisku miejskim ze względu na ich bliskość do budynków przeznaczonych na użytkowanie przez ludzi.

Standardy podłączenia do sieci

IEEE 1547 reguluje połączenie rozproszonych zasobów energetycznych, w tym systemów magazynowania energii (BESS), z siecią. W przypadku wdrożeń miejskich konieczne jest wykazanie zdolności do przejścia przez zakłócenia — pozostania podłączonego podczas krótkotrwałych spadków napięcia zamiast odłączenia się, co pogorszyłoby niestabilność sieci właśnie w trakcie szczytowych zdarzeń, których zapobieganie stanowi główny cel działania systemu. Konwerter mocy (PCS) musi synchronizować się z częstotliwością sieci w zakresie ±0,5 Hz oraz odpowiadać na sygnały dyspozycyjne operatora sieci dzięki integracji z systemem SCADA.

Często zadawane pytania

Jaka pojemność BESS jest potrzebna do redukcji szczytów obciążenia w środowisku miejskim?

W aplikacjach komercyjnych w budynkach typowo wymagana jest pojemność od 500 kWh do 2 MWh w celu redukcji szczytu obciążenia na poziomie pojedynczego obiektu. Redukcja szczytów obciążenia na poziomie stacji transformatorowej dystrybucyjnej wymaga pojemności od 10 do 50 MWh, w zależności od profilu obciążenia poszczególnych linii. Wdrożenia na skalę użyteczności publicznej w środowisku miejskim obejmują pojemności od 100 MWh i więcej. Dobór pojemności zależy od wielkości szczytu obciążenia, jego czasu trwania oraz docelowego procentowego zmniejszenia obciążenia, a nie od jakiegokolwiek stałego wzoru.

Jak długo BESS może utrzymywać wyładowanie w trybie redukcji szczytów obciążenia?

Większość miejskich systemów redukcji szczytów zaprojektowana jest na 2–4 godziny ciągłego wyładowania przy mocy znamionowej. Obejmuje to typowe okna szczytowe rano lub wieczorem. Istnieją również systemy o dłuższym czasie działania (6–8 godzin), ale ich koszt na kWh jest wyższy i rzadko uzasadnia dodatkową pojemność wyłącznie w kontekście redukcji szczytów, choć dodają wartości poprzez usługi pomocnicze, takie jak regulacja częstotliwości.

Czy redukcja szczytów za pomocą BESS działa w połączeniu z energią odnawialną?

Tak. Połączenie BESS z fotowoltaiką na dachach lub wiatrakami miejskimi tworzy hybrydowy system, w którym nadmiar energii odnawialnej wytworzonej w południe ładowuje akumulator do wykorzystania w godzinach wieczornego szczytu. Rozwiązuje to problem tzw. „krzywe kaczki”, gdy produkcja energii słonecznej spada dokładnie w momencie wzrostu popytu wieczorem. Dostawcy, tacy jak Liaoning Sinotech Group, oferują zintegrowane rozwiązania BESS i fotowoltaiczne przeznaczone do tego zastosowania.

Jaka jest różnica między montażem w stojakach a układaniem warstwowym BESS?

System BESS montowany na szafach pasuje do standardowych szaf serwerowych 19 cali do instalacji wewnątrz budynków w kontrolowanych środowiskach. Stackowalne systemy BESS wykorzystują zewnętrzne, odporno na pogodę szafy, które są połączone elektrycznie i komunikują się poprzez centralny sterownik. Montaż na szafach nadaje się do budynków sterowania stacji transformatorowych; stackowalne systemy nadają się do zewnętrznych, umieszczanych na betonowej podstawie instalacji BESS tam, gdzie brak jest przestrzeni wewnątrz budynku.

W jaki sposób obcinanie szczytów zapotrzebowania przez system BESS redukuje koszty energii elektrycznej?

Komercyjne i przemysłowe odbiorcy korzystający z taryf zależnych od pory dnia unikają opłat za szczytowe zapotrzebowanie, pobierając energię z systemu BESS w okresach najwyższych cen. Opłaty za szczytowe zapotrzebowanie — ustalane na podstawie najwyższego 15-minutowego przedziału zużycia w każdym miesiącu — mogą stanowić od 30 do 70% całkowitego rachunku za energię elektryczną danej instalacji. Obcinanie szczytów eliminuje lub zmniejsza te opłaty bez ograniczania rzeczywistego zużycia energii.

Jakie konserwacje wymaga miejska instalacja systemu BESS?

Kwartalna kontrola systemu zarządzania temperaturą, półroczne testy pojemności oraz ciągła zdalna kontrola za pośrednictwem systemu zarządzania baterią (BMS). Chemia LiFePO4 nie wymaga uzupełniania elektrolitu, w przeciwieństwie do alternatywnych akumulatorów ołowiowo-kwasowych. Wyrównywanie komórek odbywa się automatycznie przez BMS podczas pracy przy częściowym stanie naładowania, typowej dla cykli pracy związanych z ograniczaniem szczytowego obciążenia.