Ali se sistem za shranjevanje energije (BESS) lahko uporabi za zmanjševanje vrhov porabe v mestnih električnih omrežjih?

Razumevanje zmanjševanja vrhovne obremenitve in obremenitve mestnega omrežja

Mestna električna omrežja so soočena z osnovnim neskladjem med ponudbo in povpraševanjem. Poraba električne energije doseže vrhove zjutraj in zvečer, ko hkrati porabljajo energijo poslovne stavbe, sistemi javnega prevoza in stanovanjski uporabniki. Razlika med osnovno obremenitvijo in temi vrhovi obremenitve prisili energetske podjetja, da vzdržujejo rezervno zmogljivost – elektrarne, ki delujejo pri delni moči, izgubljajo gorivo, medtem ko čakajo na morebitne skoke povpraševanja, ki se morda nikoli ne zgodijo.

Sprememba vrhovne obremenitve odpravi to neustreznost tako, da zmanjša največjo moč, odvzeto iz omrežja v obdobjih visokega povpraševanja. Namesto povečanja proizvodnje električne energije uporabniki ali veliki porabniki namestijo shranjeno energijo, da pokrijejo razliko. Gospodarski argument za spreminjanje vrhovne obremenitve postaja vedno močnejši, saj se tarifna struktura glede na čas uporabe električne energije vse bolj uveljavlja na mestnih tržiščih, kjer lahko cene v vrhovnih urah presegajo cene v nizkoobremenitvenih urah za trikrat ali več.

BESS — Sistemi za shranjevanje energije z baterijami — so se izkazali kot prevladujoča tehnologija za to uporabo. V nasprotju s tradicionalnimi sistemi za shranjevanje z vodno energijo, ki zahtevajo posebno geografijo, ali sistemom z žerjavskimi kolesi, ki so omejeni na kratkotrajne izbruhe moči, se sistemi za shranjevanje z baterijami prilagajajo različnim velikostnim razmerjem: od komercialnih stavb do omrežnih sistemov za celotne urbana območja.

Kako sistemi za shranjevanje energije z baterijami izvajajo spreminjanje vrhovne obremenitve v urbanih okoljih

Logika ciklov polnjenja in razpolnjevanja

A bESS namestitev, povezana z mestno transformatorsko postajo, se polni v urah najnižje obremenitve – običajno med polnočjo in 6. uro zjutraj, ko osnovna proizvodnja presega povpraševanje. Shranjena energija se nato izda nazaj v omrežje med jutranjim vrhuncem (7–10. ure zjutraj) in večernim vrhuncem (17–21. ure), kar splošči neto obremenitveno krivuljo, ki jo mora obravnavati višje omrežje za prenos.

Baterije na osnovi litijevega železovega fosfata (LiFePO4) prevladujejo pri namestitvah mesta sistema za shranjevanje energije (BESS) iz več razlogov. Njihova termična stabilnost zmanjšuje tveganje požara v gosto naseljenih območjih, kjer bi dogodek termičnega zbežanja imel neprijetne posledice. Življenjska doba ciklov, ki presega 6.000 ciklov polnjenja in razprazitve pri globini razprazitve 80 %, pomeni, da sistem, nameščen danes, ostane ekonomsko produktiven 15–20 let dnevne uporabe za sproščanje vrhov.

Komunalna uprava v jugovzhodni Aziji je namestila sisteme za shranjevanje energije z baterijami (BESS) z močjo 20 MW/40 MWh na preobremenjeni mestni transformatorski postaji, kjer so omejitve prostora onemogočile namestitev tretjega transformatorja. Baterijski sistem je absorbiral popoldansko vrhunsko obremenitev zaradi klimatskih naprav (15 MW), s čimer je odložil približno 12 milijonov dolarjev kapitalskih stroškov za nadgradnjo transformatorske postaje za približno sedem let.

Integracija z obstoječo infrastrukturo transformatorske postaje

Namestitve BESS v mestnih območjih običajno priključijo na srednjenapetostno omrežje (10–35 kV) prek dvigalnih transformatorjev, ki so integrirani v baterijski kontejner ali nameščeni neposredno poleg njega. Sistem za pretvorbo moči (PCS) nadzoruje dvosmerno pretok moči in v nekaj milisekundah po prejemu signala za aktivacijo iz omrežja preklopi iz redresiranja med polnjenjem v invertiranje med razprazitvijo.

Konfiguracije BESS za montažo na stojalo so primerni za notranje namestitve v transformatorskih postajah, kjer je omejena površina tal. Skladljive konstrukcije BESS omogočajo energetskim podjetjem postopno povečevanje zmogljivosti – začnejo z vsebnikom 5 MWh in dodajajo enote, ko se spreminjajo vzorci povpraševanja. Ta modularni pristop zmanjšuje začetne kapitalske naložbe v primerjavi z gradnjo posebne naprave BESS.

Tehnični zahtevki za namestitev BESS v mestnih območjih

Prostorske in varnostne razmere

V mestnih transformatorskih postajah redko najdemo prosto zemljišče za velike namestitve baterij. Rešitve BESS v vsebnikih to rešijo tako, da celoten sistem – baterije, pretvorniki moči (PCS), termični upravljalni sistem in protipožarni sistem – predizdelajo v standardne vsebnike za prevoz, ki jih je mogoče namestiti na obstoječe betonske ploščadi v transformatorskih postajah.

Protokoli za požarno varnost zahtevajo večplastno zaščito: nadzor na ravni celic za zaznavanje napak napetosti pred začetkom toplotnega zbežanja, zaznavanje plinov na ravni modulov, ki sproži prezračevanje pred nakopičanjem vnetljivih par iz elektrolita, ter avtomatsko aktiviranje sistemov za pršenje aerosola na ravni posod. Standard NFPA 855 določa zahteve za namestitev sistemov za shranjevanje energije, vključno z razdaljami med objekti in zahtevami glede prezračevanja, ki jih morajo izpolnjevati namestitve v mestnih območjih zaradi njihove bližine do poseljenih stavb.

Standardi za povezavo z omrežjem

IEEE 1547 ureja povezavo razpršenih virov energije, vključno z BESS, z omrežjem. V urbanih namestitvah je treba dokazati sposobnost preživljaja – ohraniti povezavo med kratkotrajnimi padci napetosti namesto izklopa, kar bi omrežno nestabilnost poslabšalo ravno ob največjih obremenitvenih dogodkih, za katere je sistem zasnovan, da jih zmanjša. PCS mora sinhronizirati s frekvenco omrežja znotraj ±0,5 Hz in odzivati na upravljalske signale komunalne službe prek integracije SCADA.

Pogosta vprašanja

Kakšne velikosti BESS je potrebno za urbane vrhovne obremenitve?

Za komercialne stavbe običajno zadošča 500 kWh–2 MWh za zmanjšanje vrhovne obremenitve na ravni objekta. Za zmanjšanje vrhovne obremenitve na ravni distribucijske transformatorske postaje je potrebnih 10–50 MWh, odvisno od obremenitvenih profilov priključkov. Na ravni komunalne službe v mestnih območjih se namestitve gibljejo od 100 MWh naprej. Velikost je odvisna od magnitude vrhovne obremenitve, trajanja in ciljnega odstotka zmanjšanja, ne pa od katerekoli fiksne formule.

Kako dolgo lahko BESS vzdrži razbijanje vrhovne obremenitve?

Večina urbanih sistemov za zmanjševanje vrhov potrošnje cilja 2–4 ure neprekinjene razbijanja pri nazivni moči. To pokrije običajno jutranje ali večerni vrhovni čas. Sistemi daljšega trajanja (6–8 ur) obstajajo, vendar imajo višje stroške na kWh, ki redko upravičujejo dodatno zmogljivost le za zmanjševanje vrhov; kljub temu dodajo vrednost prek sekundarnih storitev, kot je npr. regulacija frekvence.

Ali zmanjševanje vrhov potrošnje z BESS deluje pri integraciji obnovljivih virov energije?

Da. Kombiniranje BESS z sončno energijo s strešnih elektrarn ali z urbano vetrno energijo ustvari hibridni sistem, kjer presežna proizvodnja obnovljive energije v poldneva polni baterijo za razbijanje med večernim vrhom potrošnje. To rešuje »problem raca«, pri katerem proizvodnja sončne energije pade ravno takrat, ko se večerna potreba po energiji poveča. Dobavitelji, kot je npr. Liaoning Sinotech Group, ponujajo integrirane BESS in sončne rešitve za to uporabo.

Kakšna je razlika med montažo v omare in skladnimi BESS?

BESS za montažo v stojalce se prilega standardnim 19-inčnim strežniškim stojalcem za notranje namestitve v nadzorovanih okoljih. Skladljivi BESS uporablja vremensko odporno zunanjih ohišja, ki so električno povezana med seboj in komunicirajo prek centralnega krmilnika. Montaža v stojalce je primerna za stavbe za nadzor podstacion, skladljivost pa za zunanjih pad-mounted namestitev, kjer ni na voljo notranji prostor.

Kako zmanjšuje BESS izravnavo vrhovnih obremenitev stroške elektrike?

Komercialni in industrijski uporabniki, ki plačujejo tarife glede na čas uporabe, izogibajo dajatvam za najvišjo obremenitev tako, da med obdobji najvišjih cen črpajo energijo iz BESS. Dajatve za najvišjo obremenitev – ki temeljijo na najvišjem 15-minutnem intervalu porabe vsak mesec – lahko predstavljajo 30–70 % skupnega računa za elektriko poslovnega objekta. Izravnava vrhovnih obremenitev odpravi ali zmanjša te dajatve brez zmanjšanja dejanske porabe energije.

Kakšno vzdrževanje zahteva urbana namestitev BESS?

Četrtletni pregled sistema za upravljanje temperature, polletno testiranje kapacitete ter neprekinjeno oddaljeno spremljanje prek sistema za upravljanje baterije. Kemija LiFePO4 ne zahteva dopolnjevanja elektrolita, kar je v nasprotju z alternativami na osnovi svinca in kisline. Uravnavanje celic poteka samodejno prek BMS-a med delovanjem pri delni napolnjenosti, kar je značilno za cikle obremenitve pri izravnavanju vrhov.