Verkkosähkövarastojen avulla parannetaan sähköverkon luotettavuutta ja joustavuutta

Miten verkkosähkövarastot parantavat sähköverkon luotettavuutta ja joustavuutta

Energian varastojärjestelmät toimivat kuin jousituksen shock absorbers nykyisissä sähköverkoissa, reagoimalla lähes välittömästi jännitteen laskiessa tai laitteistovioissa. Nämä järjestelmät pitävät taajuuden säädeltyä melko tarkasti standardin 60 tai 50 Hz merkin ympärille, yleensä noin puolen hertsin tarkkuudella kumpaankin suuntaan. Tämä on tärkeää, koska ilman tällaista säätöä olemme aiemmin kohdanneet suuria ongelmia, joissa pientenkin vikojen seuraukset ovat paisuneet valtaviksi sähkökatkoksi, jotka vaikuttavat useisiin osavaltioihin yhtä aikaa. Näiden varastoratkaisujen arvokkuuden määrittää niiden kyky syöttää sähköä takaisin verkkoon murto-osassa sekuntia, mikä todella auttaa koko verkon vakauttamisessa. Aikoina, jolloin verkkoon tulee ongelmia, tämä nopea reaktiokyky on erittäin tärkeä sairaaloiden, hätäpalveluiden ja muiden keskeisten toimintojen jatkamiseksi ilman katkoja.

Energian varastoinnin integrointi uusiutuvien energialähteiden kanssa tasaisen toimituksen varmistamiseksi

Energian varastointi toimii erittäin hyvin yhdistettynä aurinkopaneeleihin ja tuuliturbiineihin, koska uusiutuvat energialähteet vaihtelevat melko paljon päivän aikana – noin 70 % ajasta. Sähköyhtiöt voivat jatkaa sähkön toimitusta kääntymättä takaisin hiili- tai kaasulaitosten puoleen varavoimana, mikä on erityisen tärkeää yöaikana, kun aurinko laskee, tai silloin, kun tuulee useita päiviä peräkkäin. Varastoitava energia täyttää ne aukot, joissa tuotanto heikkenee, joten ihmiset saavat edelleen luotettavaa sähköä pistorasioista. Tämä mahdollistaa puhtaamman energian lisäämisen sähköverkkoon yleisesti ottaen, mitä ympäristöjärjestöt ovat vaatineet jo vuosia.

Energian varastointipalvelut, kuten huippukulutuksen leikkaus ja kuorman tasaus, selitettynä

• Huippukulutuksen leikkaus: Varasto tyhjenee päivittäisten kysynnän huippujen aikana (esim. klo 17–20), vähentäen siirtoverkon kuormitusta ja viivyttäen kalliiden infrastruktuurien päivityksiä
• Kuorman tasaus: Akut siirtävät ylijäämäenergian alueilta, joilla tarjonta on liiallista, alueille, joilla on puutetta, mikä optimoi sähköverkon käyttöä ja vähentää ruuhkautumista

Nämä palvelut parantavat tehokkuutta ja vähentävät kulumista vanhenevassa infrastruktuurissa, edistäen pitkän aikavälin järjestelmän luotettavuutta.

Tietoanalytiikka: Verkkosäilytys vähentää keskeytysten kestoa jopa 40 % (Yhdysvaltain energianhallinto, 2023)

Yhdysvaltain energianhallinnon vuoden 2023 resilience-raportissa todettiin, että alueet, joilla on vähintään 500 MW:n säilytyskapasiteetti, saivat sähkön palautettua 2,3 tuntia nopeammin myrskyjen aikana verrattuna verkkoihin ilman säilytystä. Tämä 40 %:n paraneminen keskeytysten korjaamisessa johtuu säilytyksen kyvystä:

1. Ylläpitää kriittisten laitosten – sairaaloiden, tietokeskusten, vesihuoltolaitosten – toimintaa siirtohäiriöiden aikana
2. Mahdollistaa nopeamman "black start" -tyyppisen verkon uudelleenkäynnistyksen käyttäen varastoitua energiaa, mikä kiihdyttää täydellistä palauttamista

Tämä ominaisuus on yhä tärkeämpi, kun äärimmäiset sääilmiöt heikentävät sähköverkon kestävyyttä.

Keskeiset energianvarastointiteknologiat, jotka mahdollistavat nykyaikaiset verkkosovellukset

Yleiskatsaus energianvarastointiteknologioihin ja niiden luokittelu keston ja toiminnon mukaan

Modernit sähköverkon energianvarastoratkaisut hyödyntävät useita eri teknologioita, joista jokainen soveltuu erityyppisiin kestoihin ja toimintoihin:

Teknologia tyyppi	Kesto	Tärkeät sovellukset
Litiumionipatterit	Lyhyt-keskipitkä aikaväli	Taajuussäätö, huippukuorman tuki
Virta-akut	Keskipitkä-pitkä aikaväli	Kuorman siirto, uusiutuvan energian integrointi
Pumputettu vesivarastointi	Pitkäkestoinen	Massavaraus, kausitasapainotus
Lämpövarastointi	Lyhyt-pitkä aikaväli	Teollisuuden lämmönhallinta, CHP-järjestelmät

Kuten kestävän energiatalouden tutkimus osoittaa, tämä luokittelu auttaa sähköverkkoyhtiöitä valitsemaan teknologiat, jotka vastaavat niiden toiminnallisia tarpeita – lyhyen keston järjestelmät, kuten suprajohdekondensaattorit, hallinnoivat hetkellisiä epätasapainoja, kun taas virtaavat akut hallinnoivat useamman tunnin uusiutuvan energiantuotannon vaihteluita.

Litiumioni- ja virtausakut: suorituskyky sähköverkon energiavarastointiratkaisuissa

Litiumioniakkujen käyttö on lähes vakiintunut lyhyen aikavälin varastointitarpeisiin, koska ne tarjoavat vaikuttavan kiertotehokkuuden, joka vaihtelee 90–95 prosentissa, sekä reaktioaikoja alle 100 millisekunnissa. Kun kyseessä ovat pidempiaikaiset ratkaisut, virtausakut erottuvat joukosta. Nämä järjestelmät kestävät 20–30 vuotta verrattuna litiumakkujen tyypilliseen 10–15 vuoden elinkauteen. Lisäksi virtausteknologiaa voidaan skaalata helposti ylös 4–12 tunnin purkukausien tarpeisiin, kun sitä yhdistetään uusiutuviin energialähteisiin, kuten aurinkopaneeleihin tai tuuliturbiineihin, useiden päivien ajan. Se tosiasia, että niiden elektrolyytit eivät hajoa ajan myötä, vähentää itse asiassa kokonaiskäyttökustannuksia, vaikka niiden energiatiheys tilavuusyksikköä kohti onkin alhaisempi kuin litiumvaihtoehdoilla.

Nousevat teknologiat: kiinteätila- ja painovoimaperusteiset varastointijärjestelmät

Kiinteän olomuodon akut voivat mahdollisesti säilyttää kaksi kertaa niin paljon energiaa kuin tavalliset litiumioniakut, samalla kun ne aiheuttavat huomattavasti pienemmän tulen syttymisen riskin. Tämä tarkoittaa, että niitä voidaan asentaa turvallisesti pieniin tiloihin kaupunkialueiden läheisyyteen ilman räjähdyksen vaaraa. Toisaalta painovoimapohjaiset varastoratkaisut, kuten Energy Vaultin suuret mekaaniset tornit, toimivat periaatteessa niin, että ne nostavat suuria komposiittilohkoja ylös, kun sähköä on saatavilla ylimäärin, ja laskevat niitä tarpeen mukaan alas, tallentaen energiaa tällä tavoin vuosiksi. Järjestelmä menettää noin 15 % tallennetusta energiasta, mikä on melko hyvä ottaen huomioon näiden laitteiden pitkä käyttöikä. Kaikki nämä uudet teknologiat avaavat mahdollisuuksia alueille, joissa perinteinen akkutekniikka ei toimi kovin hyvin turvallisuussyistä tai materiaalien rajallisuudesta.

Trendianalyysi: Maailmanlaajuinen siirtyminen pitkäkestoiseen energianvarastointiin (LDES) vuoteen 2030 mennessä

Markkinakatsaukset viittaavat siihen, että pitkän keston energiavarastointialalla (LDES) saattaa olla noin 120 miljardin dollarin arvoinen markkina tämän vuosikymmenen loppuun mennessä. Pääasiallinen kiihdyttäjä tulee kasvavasta kysynnästä järjestelmille, jotka voivat toimittaa sähköä yli kymmenen tuntia putkeen – ominaisuus, joka on välttämätön hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä koko sähköverkoissa. Nykyään lähes puolet kaikista uusista uusiutuvan energian asennuksista sisältää jonkinlaisen LDES-lupauksen, mikä johtuu suurelta osin rauta-ilma-akkujen ja paineiluvarastointiratkaisujen kaltaisten teknologioiden hintojen laskusta. Kyseessä ei enää ole vain valojen pitäminen päällä lyhyiden häiriöiden aikana. Yritykset alkavat pikemminkin suunnitella useita päiviä eteenpäin, jopa kuukausia eteenpäin, miettiessään, miten niiden energiavarastointijärjestelmät selviävät kaikessa kaikkiin viikon mittaisista kuuminauhoista kausittaisiin vaihteleviin tarjonta- ja kysyntäolosuhteisiin asti.

Sähköverkkoon integrointi ja energiavarastojärjestelmien toiminnallinen suorituskyky

Energianvarastojärjestelmien (ESS) ottaminen käyttöön nykyisissä sähköverkoissa ei ole yksinkertaista. On paljon teknisiä haasteita, joita on selvitettävä saadakseen nämä järjestelmät toimimaan mahdollisimman tehokkaasti. Oikeita päänsärkyjä aiheuttavat etenkin häiritsevät jännitteenpiikit, jotka syntyvät akkujen varautuessa ja purkautuessa nopeasti. Lisäksi ongelmana on myös sähkövirran kahdenvälinen virtaus sekamaisissa uusiutuvan energian järjestelmissä. Viime vuonna julkaistussa tutkimuksessa Journal of Power Sources -lehdessä korostui kaksi suurta ongelmaa, kun suuria akkupaketteja aletaan asentaa vanhaan sähköverkkoinfrastruktuuriin. Ensimmäinen on taajuuden säilyttäminen vakiona, mikä vaikeutuu kun akut tulevat käyttöön ja poistuvat siitä. Toinen on lämmön kerääntyminen näissä valtavissa asennuksissa, mikä vaikeutuu entisestään akkuryhmien kasvaessa suuremmiksi ajan myötä.

Teknisiä haasteita energianvarastojärjestelmien integroinnissa sähköverkkoon

Vanhat verkkorakenteet eivät pysty pysymään mukana siinä tahdissa, jolla litiumioniakut ja virta-akku-järjestelmät voivat reagoida. Näiden erittäin nopeiden reaktioaikojen saaminen toimimaan tavallisten jännitteenohjauslaitteiden kanssa vaatii yleensä merkittäviä muutoksia sähköasemalla. Joidenkin kenttärappien mukaan noin joka neljäs siirtoveroyhtiö Pohjois-Amerikassa kokee ongelmia invertterien kanssa, kun yrittää modernisoida vanhoja sähköasemia energiavarastojärjestelmiä varten. Tämä osoittaa, miksi uusien teknologioiden liittämiseksi sähköverkkoon tarvitaan kipeästi parempia standardisääntöjä.

Älykkäät invertterit ja edistyneet ohjausjärjestelmät mahdollistavat saumattoman uusiutuvan energian integroinnin

Seuraavan sukupolven älykkäät invertterit auttavat sähköverkon vakauttamisessa, koska ne mahdollistavat energiavarastojen reaktiivitehon säädön silloin, kun aurinkoenergian tuotanto kasvaa äkillisesti tai tuulivoiman saatavuus laskee. Kun näitä laitteita käytetään tekoälyohjausten rinnalla, jotka ennakoivat tulevia muutoksia, testien mukaan hukkaan menneen uusiutuvan energian määrä väheni noin 18 prosenttia Keski-Länsi-alueella viime vuonna. Otetaan Kalifornian CAISO-järjestelmä hyväksi esimerkiksi. He ovat ottaneet käyttöön erittäin tehokkaita menetelmiä, joissa reaaliaikaisia mittauksia hyödynnetään koordinoimaan 3,2 gigawatin paristojen ja aurinkopaneeleiden toimintaa. Tämä auttaa kaikkea toimimaan sujuvasti, vaikka uusiutuvasta energiasta tuotettavan sähkön määrä jatkuvasti vaihtelee ja kulutuskuvioihin tapahtuu muutoksia koko päivän ajan.

Tapaus: Kalifornian verkkotason akkuasennukset, jotka tukevat aurinkoenergian ylivuotoa

Kun aurinkovoima saavutti ennätystasot toukokuussa 2024, Kalifornian 4 tunnin litiumrauta-fosfaattibatteriin varastoitui noin 1,7 gigawattituntia ylimääräistä sähköenergiaa, joka tuotettiin keskipäivällä. Tämä riittää tosiasiallisesti noin 125 000 kotitalouden tarpeisiin. Näin varastoituneella energialla katsottiin kattaneen lähes 89 prosenttia suuresta sähkön kulutuksen huipentumisesta iltaisin. Tämä osoittaa, että kun energianvarastojärjestelmät (ESS) sijoitetaan niihin kohtiin, missä niitä todella tarvitaan, ne muuttavat muuten hukkaan menevän ylijäämäsähkön hyödylliseksi ja luotettavaksi resurssiksi. Tällä tavoin vähennetään energiahukkaa samalla kun vähennetään kalliiden maakaasulaitosten käyttöä huippukulutuksen aikana. Sekä talous että ympäristö hyötyvät tästä ratkaisusta.

Sähköverkon energiavarastoratkaisujen taloudelliset ja ympäristölliset edut

Uusiutuvien energialähteiden integrointi energiavarastoihin tehden ylivuodon vähentäminen

Energian varastointi vähentää uusiutuvan energian hukkaa tallentamalla ylijäämäista aurinko- ja tuulivoiton tuotantoa alhaisen kysynnän aikana. Kaliforniassa leikattiin turhaa sähkön leikkaamista 34 % vuonna 2023 kohdennetuilla akkujärjestelmien asennuksilla. Tämän varastoidun energian käyttö huippukulutuksen aikana maksimoi uusiutuvan energian hyödyntämisen ja vähentää fossiilisten huippuvoimaloiden tarvetta, parantaen sähköverkon kestävyyttä ja kustannustehokkuutta.

Säilytysenergian tasoitettujen kustannusten (LCOS) parantuminen edistää vihreän energian käyttöönottoa

Akusteknologian parannukset yhdessä suurempien tuotantosarjojen kanssa ovat vähentäneet litiumioniakkujen sähköenergian varastoinnin tasoitettua kokonaiskustannusta (LCOS) noin 52 % vuodesta 2018. Sähköntuottajat käyttävät nykyisin yhä enemmän energiavarastointiratkaisuja, ei ainoastaan sähköverkon vakauttamiseen, vaan myös luotettavan sähköntoimituksen varmistamiseen tarpeen mukaan, usein hintatasolla, joka pystyy kilpailemaan luonnonkaasulaitosten tarjousten kanssa. MIT:n hiljattainen raportti vuodelta 2023 ennustaa vielä parempia tuloksia ja arvioi, että neljän tunnin kestoisten järjestelmien LCOS saattaa laskea alle 50 dollaria megawattituntia kohti tämän vuosikymmenen loppuun mennessä. Tämäntyyppinen edistyminen kiihdyttää selvästi siirtymää kohti puhtaampia energiaverkkoja, jotka pystyvät vastaamaan millä tahansa niille asetetuilla haasteilla.

Ympäristövaikutukset: Miten energiavarastointi tukee hiilineutraaliustavoitteita

Sähköverkkoon liitettävä energiavarasto auttaa uusiutuvan energian integroinnissa sähköjärjestelmiin, vähentäen vuosittain noin 12–18 miljoonaa tonnia hiilidioksidipäästöjä vain Yhdysvaltojen alueella. Tämä teknologia vähentää riippuvuutta niistä kaasuturbiineista, jotka tuottavat paljon metaania, sähköverkon kuormituksen aikana. Kun varastointikapasiteetti yhdistetään uusiutuvan energian hybridiyksiköihin, päästään todelliseen edistykseen kohti kunnianhimoista tavoitetta vähentää sähköntuotannon päästöjä 72 %, mikä monien ilmastonmuutosmalleiden mukaan on tarpeen Pariisin ilmastosopimuksen puitteissa. Näin ollen nämä varastoratkaisut ovat keskeisiä komponentteja kaikissa vakavissa yrityksissä vähentää kasvihuonekaasuja maailmanlaajuisesti ja samalla säilyttää luotettava sähköntoimitus.

UKK

Mikä on energiavarastojärjestelmien rooli sähköverkon luotettavuudessa?

Energiavarastojärjestelmät toimivat kuin jousituksen absorbaattorit, reagoivat nopeasti jännitteen laskuun tai laiterikkoihin ja vakauttavat sähköverkkoa, varmistaen että kriittiset palvelut pysyvät jatkuvasti toiminnassa.

Miten energianvarastojärjestelmät integroituvat uusiutuvien energialähteiden kanssa?

Energianvarastojärjestelmät keräävät ylijäämävirtaa, jota uusiutuvat energialähteet tuottavat, tasoittavat vaihteluita ja varmistavat vakaa sähkön saannin myös silloin, kun uusiutuvan energian tuotanto heikkenee.

Mitä tyyppejä palveluita energianvarastoratkaisut tarjoavat sähköverkossa?

Nämä ratkaisut tarjoavat huipputasauksen purkamalla energiaa suuren kysynnän aikana ja kuormituksen tasauksen uudelleen jakamalla ylijäämäenergiaa ylikuormitettujen alueiden alueille, joilla on alijäämä.

Mikä on energianvarastoratkaisujen taloudellinen hyöty?

Energianvarastoratkaisut vähentävät energianvaraston tuotantokustannusta (LCOS), vähentävät riippuvuutta fossiilisiin polttoaineisiin perustuvista voimalaitoksista ja rajoittavat uusiutuvan energian hukkaamista, mikä johtaa kustannustehokkaisiin ja kestäviin sähköverkkoihin.