Czy systemy magazynowania energii (BESS) mogą poprawić stabilność autonomicznych systemów zasilania?

Podstawy działania systemów magazynowania energii (BESS) w kontekście zapewnienia stabilności w sieciach pozamacierzowych

Dlaczego systemy pozamacierzowe są podatne na zakłócenia: brak bezwładności sieciowej i ograniczona zdolność do pracy w warunkach zakłóceń

Systemy niezależne od sieci nie posiadają tego samego rodzaju bezwładności obrotowej, która pochodzi od dużych wirujących generatorów występujących w standardowych sieciach energetycznych. Bezładność ta działa jak rodzaj tłumika udarowego dla systemu, wspomagając jego stabilność w przypadku nagłych zmian zapotrzebowania lub niespodziewanego spadku generacji. Gdy ten naturalny bufor brakuje, drobne problemy mogą szybko wyjść z kontroli, powodując niebezpiecznie szybkie skoki poziomu częstotliwości. Co pogarsza sytuację, to fakt, że wiele układów pozasieciowych ma trudności z tzw. zdolnością do pracy przy awarii (fault ride through). Standardowe protokoły bezpieczeństwa zwykle powodują wyłączenie falowników lub odcięcie zasilania określonych odbiorników przy każdej chwili spadku napięcia lub krótkotrwałej fluktuacji częstotliwości, zamiast po prostu utrzymywać działanie całego systemu w najlepszy możliwy sposób. Sytuacja staje się szczególnie problematyczna w odległych obszarach, gdzie w pobliżu po prostu nie ma alternatywnych źródeł zasilania. W rezultacie te niewielkie zakłócenia często przekształcają się w całkowite przerwy w zasilaniu. Ze względu na wszystkie te wrodzone słabości, specjalne środki stabilizacyjne muszą zostać wprowadzone już na etapie projektowania, jeśli chcemy zapewnić, aby działania pozasieciowe pozostawały przez długi czas zarówno niezawodne, jak i odpornościowe.

Podstawowe możliwości systemu BESS: szybka reakcja, dwukierunkowy przepływ mocy oraz przesunięcie czasowe energii

Systemy BESS rozwiązują te problemy w trzech głównych aspektach, które rzeczywiście przynoszą istotne korzyści. Po pierwsze warto zwrócić uwagę na ich szybkość reakcji – najczęściej wynosi ona mniej niż 100 milisekund. Dzięki tej szybkości systemy te mogą natychmiast wprowadzać lub pobierać moc w momencie odchylenia się częstotliwości od normy, zapobiegając w ten sposób potencjalnej niestabilności sieci jeszcze przed jej eskalacją. Kolejną kluczową cechą jest zdolność do dwukierunkowego przepływu mocy, co oznacza płynne i rzeczywistoczasowe przełączanie się między ładowaniem a rozładowywaniem, umożliwiając tym samym wyrównywanie fluktuacji generowanej przez źródła energii odnawialnej oraz dostosowanie się do zmieniających się potrzeb odbiorców. Trzecim aspektem jest magazynowanie nadmiaru energii pochodzącej z paneli słonecznych lub turbin wiatrowych w okresach, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest niskie. Zmagazynowana w ten sposób energia przydaje się w godzinach szczytowego obciążenia lub w sytuacjach, gdy wiatr nie wieje, a słońce nie świeci. Zgodnie z niektórymi najnowszymi badaniami z 2023 roku przeprowadzonymi przez Microgrid Institute wraz z NREL, podejście to pozwala zmniejszyć wykorzystanie agregatów prądotwórczych zasilanych olejem napędowym o około 30–50% w odizolowanych społecznościach korzystających z własnych mikrosieci.

Stabilizacja częstotliwości i napięcia sterowana przez system magazynowania energii (BESS)

Sztuczna bezwładność i sterowanie nachyleniem: kompensacja mikrosieci dominowanych przez falowniki

Mikrosieci oparte na falownikach stają się coraz bardziej powszechne, szczególnie w obszarach, gdzie źródła odnawialne dominują w układach pozamacierzowych. Te systemy nie posiadają naturalnej bezwładności obrotowej charakterystycznej dla tradycyjnych sieci, dlatego są szczególnie podatne na nagłe zmiany częstotliwości w przypadku nierównowagi między ilością generowanej a pobieranej energii. Systemy magazynowania energii w bateriach (BESS) wspierają je, udając tzw. bezwładność syntetyczną. Zasadniczo elektronika mocy wykrywa te zmiany częstotliwości – określane jako szybkość zmiany częstotliwości (RoCoF) – i wówczas albo bardzo szybko wprowadza moc do systemu, albo ją z niego pobiera, redukując tempo zmiany częstotliwości o ponad połowę w porównaniu do systemów bez sterowania. Istnieje również tzw. sterowanie nachyleniowe (droop control), które umożliwia automatyczne dzielenie obciążenia pomiędzy różne źródła mocy. Gdy częstotliwość spada, baterie uwalniają zgromadzoną energię, aby ustabilizować pracę systemu; gdy natomiast występuje nadmiar mocy, pochłaniają ją. Wszystkie te funkcje współpracują ze sobą tak, jak to robiłyby tradycyjne maszyny synchroniczne, zapewniając płynną pracę całego systemu nawet w przypadku nagłego wyłączenia generatorów lub gwałtownej zmiany obciążenia – i to najczęściej bez konieczności interwencji człowieka.

Dynamiczna obsługa mocy biernej i aktywne regulowanie napięcia za pośrednictwem systemu zarządzania magazynem energii (BESS EMS)

Niestabilność napięcia nadal utrudnia funkcjonowanie wielu systemów pozamacierzowych, które w dużym stopniu opierają się na odnawialnych źródłach energii, takich jak energia wiatrowa i słoneczna. Tradycyjne regulatory napięcia po prostu nie są zaprojektowane tak, aby radzić sobie z szybkimi zmianami występującymi w tych systemach. Systemy magazynowania energii w akumulatorach (BESS) w połączeniu z zaawansowanymi systemami zarządzania energią (EMS) skutecznie rozwiązują ten problem. Te systemy zapewniają dynamiczną pomoc w zakresie mocy biernej, działającą niezależnie od normalnego przepływu mocy. System EMS stale monitoruje stan sieci i może natychmiast wdrożyć moc bierną pojemnościową lub indukcyjną (VAR), aby wyeliminować takie problemy jak spadki napięcia, jego skoki czy nietypowe kształty przebiegów. W przypadku nagłych spadków produkcji energii słonecznej lub silnych porywów wiatru system buforuje moc bierną. Ponadto usuwa niepożądane harmoniczne i automatycznie dostosowuje się, aby utrzymać napięcie na stałym poziomie, odchylenie nie przekraczające ok. 2% wartości nominalnej, bez konieczności uruchamiania rezerwowych agregatów prądotwórczych zasilanych olejem napędowym. Zgodnie z raportami Komitetu Mikrosieci IEEE PES te funkcje zmniejszają liczbę awarii zasilania związanych z niestabilnością napięcia o około 70%. Dodatkowo stabilizacja parametrów zasilania przedłuża żywotność czułego sprzętu, ponieważ nie podlega on stałym wahaniom napięcia.

Zdolność operacyjna do zapewnienia ciągłości działania: od ograniczania szczytowego obciążenia do uruchamiania zimnego

Równoważenie obciążenia i unikanie stosowania agregatów prądotwórczych z silnikami wysokoprężnymi dzięki inteligentnemu zarządzaniu systemem magazynowania energii (BESS)

Gdy produkcja energii odnawialnej ulega wahaniom, a zapotrzebowanie na energię elektryczną zmienia się w sposób nieprzewidywalny, powstają rzeczywiste problemy dla systemów pozamacierzowych, zwłaszcza tych, które nadal w znacznym stopniu polegają na generatorach diesla jako źródle zasilania rezerwowego. Systemy magazynowania energii w bateriach (BESS) radzą sobie z tymi problemami za pomocą inteligentnych algorytmów, które potrafią przewidywać, kiedy należy magazynować lub zwalniać energię — co pozwala spłaszczyć te gwałtowne krzywe obciążenia o około 60 do nawet 80 procent w porównaniu do sytuacji bez ich zastosowania. Te systemy pobierają nadmiar energii elektrycznej z paneli słonecznych lub turbin wiatrowych w momencie jej nadwyżki, a następnie wprowadzają ją z powrotem do sieci w przypadku nagłego wzrostu zapotrzebowania. Oznacza to, że firmy nie muszą utrzymywać swoich kosztownych generatorów diesla w ciągłym stanie pracy jedynie po to, aby zapewnić stabilny poziom zasilania. Jedna firma górnicza odnotowała roczny spadek kosztów paliwa o około 700 tys. dolarów amerykańskich po wdrożeniu systemu BESS oraz zmniejszyła czas pracy silników diesla do zaledwie 8% poprzedniego poziomu, zachowując przy tym płynne funkcjonowanie kluczowych operacji. Możliwość śledzenia zużycia energii w czasie rzeczywistym i dostosowywania harmonogramów pracy odpowiednio do tego faktu oznacza również, że generatory nie są włączane i wyłączane tak często — co rzeczywiście wydłuża ich żywotność oraz zapewnia wystarczającą ilość zasilania rezerwowego w przypadku dłuższych awarii.

Możliwość uruchomienia z zera: przywracanie kluczowej infrastruktury pozamacierzowej bez pomocy zewnętrznej

Systemy pozamacierzowe mogą czasem ulec całkowitej awarii, ale systemy magazynowania energii w bateriach (BESS) oferują coś wyjątkowego – możliwość autonomicznego uruchomienia z zera (tzw. black start). Takie systemy potrafią samodzielnie przywrócić zasilanie kluczowej infrastruktury bez konieczności ingerencji ze strony sieci zewnętrznej ani ręcznego uruchamiania agregatów prądotwórczych. Tradycyjne jednostki wysokoprężne wymagają wykonania wielu kroków, takich jak napełnienie układu paliwem, rozruch silnika oraz prawidłowa synchronizacja wszystkich elementów. BESS pomijają cały ten proces i niemal natychmiast zapewniają stabilne napięcie oraz częstotliwość, co umożliwia ponowne uruchomienie kontrolerów mikrosieci oraz stopniowe przywrócenie zasilania obciążeń priorytetowych. Przykładem z życia rzeczywistego jest szpital położony daleko od dużych ośrodków miejskich: po całkowitym wyłączeniu zasilania system BESS przywrócił działanie lamp operacyjnych i urządzeń wspomagania życia już po zaledwie 28 sekundach. Jak to działa? Proces rozpoczyna się od ponownego nawiązania komunikacji sterującej, następnie zasila tzw. obciążenia podstawowe (zwykle stanowiące mniej niż 10% całkowitej mocy instalacji). Na końcu przywracane są do pracy lokalne źródła generacji. Nowsze modele BESS wyposażone są w funkcje takie jak obwody wstępnie naładowane, wbudowane detektory odłączenia od sieci (islanding detection) oraz zoptymalizowane oprogramowanie sprzętowe, które zapewnia ich niezawodność nawet przy głębokim rozładowaniu. Wszystkie te ulepszenia oznaczają mniejszą zależność od dostaw paliwa oraz skrócenie czasu ponownego uruchomienia z kilku godzin do maksymalnie około dwóch minut.

Sekcja FAQ

Co to jest Bess?

Systemy magazynowania energii w bateriach (BESS) to technologie pozwalające na przechowywanie energii w celu jej późniejszego wykorzystania, wspierające stabilizację systemów zasilania oraz balansowanie zapotrzebowania z generacją.

Dlaczego systemy pozamacierzowe są podatne na zakłócenia?

Systemy pozamacierzowe nie posiadają bezwładności sieciowej i często mają problemy z utrzymaniem pracy w czasie awarii (fault ride-through), co prowadzi do częstych niestabilności napięcia i przerw w zasilaniu.

W jaki sposób BESS wspomaga stabilizację systemów pozamacierzowych?

BESS zapewnia szybką reakcję, dwukierunkowy przepływ mocy oraz przesunięcie energii w czasie, co pomaga w stabilizacji częstotliwości i napięcia oraz zmniejsza zależność od generatorów diesla.

Czym jest zdolność do uruchomienia zimnego (black start)?

Zdolność do uruchomienia zimnego (black start) oznacza możliwość autonomicznego przywrócenia zasilania przez BESS do kluczowej infrastruktury pozamacierzowej bez jakiegokolwiek zewnętrznego wsparcia.