A hálózati megbízhatóság és rugalmasság növelése hálózati energiatárolási megoldásokkal

Hogyan javítják a hálózati energiatárolási megoldások a hálózati megbízhatóságot és rugalmasságot

Az energiatároló rendszerek olyanok, mint a lengéscsillapítók a mai villamos hálózatokban, majdnem azonnal reagálnak feszültségesés vagy berendezés-hibák esetén. Ezek a rendszerek a frekvenciát közel tartják a szabványos 60 vagy 50 Hz-hez, általában fél herczes tűréssel mindkét irányban. Ez fontos, mert ilyen szabályozás nélkül már előfordultak komoly problémák, amikor kisebb hibák hatalmas áramkimaradásokká duzzadtak, egyszerre több államot is érintve. Az ilyen tárolórendszerek értéke abban rejlik, hogy törtrésze másodpercek alatt visszatáplálhatják az áramot a hálózatba, ami jelentősen hozzájárul az egész hálózat stabilitásához. Amikor a hálózaton valami elromlik, ez a gyors reakcióképesség elengedhetetlenné válik a kórházak, a mentőszolgálatok és egyéb létfontosságú működés folyamatos üzemeltetéséhez.

Energia-tárolók integrálása megújuló energiaforrásokkal stabil ellátás érdekében

Az energiatárolás különösen jól működik a napelemekkel és szélturbinákkel együtt, mivel a megújuló energiaforrások jellege miatt az energia termelése jelentősen ingadozik – a nap folyamán kb. 70% ideig. Az áramszolgáltatók így is képesek maradni az ellátásra anélkül, hogy szenes vagy gáztüzelésű erőműveket kellene tartalékforrásként bekapcsolni, ami különösen fontos éjszaka, amikor lemegy a nap, vagy akkor, ha napokon át nem fúj a szél. A tárolt energia kitölti ezeket a réseket, ahol a termelés visszaesik, így az emberek továbbra is megbízhatóan kapnak áramot a konnektorokból. Ez lehetővé teszi, hogy összességében több tiszta energiát használhassunk a hálózatban, amit környezetvédelmi csoportok már évek óta követelnek.

Energia-tárolási szolgáltatások, például csúcsvágás és terheléskiegyenlítés magyarázata

• Csúcsvágás: A tároló az esti csúcsfogyasztás idején (pl. 17–20 óra között) adja le az energiát, ezzel csökkentve a transzmissziós hálózat terhelését, és elhalasztva a költséges infrastruktúra-bővítéseket
• Töltés egyensúlyozása: Az akkumulátorok a többletenergiát a túlkínálatos területekről az ellátási hiánnyal küzdő területekre irányítják át, optimalizálva ezzel a hálózat kihasználtságát és csökkentve a torlódásokat

Ezek a szolgáltatások növelik a hatékonyságot és csökkentik a régi infrastruktúra elhasználódását, hozzájárulva a hosszú távú rendszermegbízhatósághoz.

Adatfelismerés: A hálózati tárolók akár 40%-kal is csökkenthetik a kiesések időtartamát (az USA Energiaügyi Minisztériuma, 2023)

Az Amerikai Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának 2023-as reziliencia-jelentése szerint azok a régiók, amelyekben legalább 500 MW-os tárolókapacitás áll rendelkezésre, viharok során 2,3 órával gyorsabban állították vissza az áramellátást, mint a tároló nélküli hálózatok. Ez a 40%-os javulás a kiesések helyreállításában a tárolók az alábbi képességének köszönhető:

1. Kritikus létesítmények – kórházak, adatközpontok, szennyvíztisztítók – működésének fenntartása átvitel meghibásodása esetén
2. Gyorsabb „fekete indítású” hálózati újraindítás lehetősége a tárolt tartalékok felhasználásával, felgyorsítva a teljes helyreállítást

Ez a képesség egyre fontosabbá válik, ahogy a szélsőséges időjárási események próbára teszik a hálózat ellenálló képességét.

A modern hálózati alkalmazásokat meghajtó kulcsfontosságú energiatárolási technológiák

Az energiatárolási technológiák áttekintése és besorolása az időtartam és funkció alapján

A modern hálózati energiatárolási megoldások különböző technológiákat használnak, amelyek mindegyike egy adott időtartamhoz és funkcióhoz igazodnak:

Technológia típusa	Időtartam	Fontos alkalmazások
Litium-ion akkumulátorok	Rövid-középtávú	Frekvenciaszabályozás, csúcsfedés támogatása
Szilárdtest akkumulátorok	Közép-hosszú távú	Terhelésátrendezés, megújuló energiaforrások integrálása
Híderugó-tároló	Hosszú távú	Nagymennyiségű energiatárolás, szezonális kiegyensúlyozás
Hőenergia-tárolás	Rövid-hosszú távú	Ipari hőkezelés, kombinált hő- és villamosenergia-rendszerek

Ahogy a fenntartható energiarendszerek kutatása kiemeli, ez a besorolás segíti az ellátó szervezeteket abban, hogy technológiai döntéseiket összehangolják az üzemeltetési igényekkel – például rövid távú rendszerek, mint a szuprakondenzátorok a pillanatnyi egyensúlyhiányokat kezelik, míg a redox-áramú akkumulátorok a megújuló termelés többórás eltolódásait kezelik.

Lítiumion- és folyadékáramlásos akkumulátorok: Teljesítmény a hálózati energiatároló megoldásokban

A lítiumion akkumulátorok gyakorlatilag az első választás rövid távú tárolási igények esetén, mivel kiváló, 90% és 95% közötti körülfordulási hatásfokkal rendelkeznek, valamint 100 milliszekundumnál gyorsabb válaszidővel. Amikor azonban hosszabb élettartamú megoldásokra van szükség, a folyadékáramlásos akkumulátorok kerülnek előtérbe. Ezek a rendszerek 20–30 évig működhetnek, szemben a lítiumalapú megoldások tipikus 10–15 évvel. Emellett a folyadékáramlásos technológia könnyen skálázható olyan 4–12 órás kisütési ciklusokhoz, amelyek több napos napelemes vagy szélturbinás rendszerekkel való összekapcsolás esetén szükségesek. Az is előnyük, hogy elektrolitjaik nem bomlanak le az idő során, így csökkentve a karbantartási költségeket – annak ellenére, hogy térfogategységre vetített energia-sűrűségük alacsonyabb, mint a lítiumalapú alternatíváké.

Új technológiák: szilárdtest- és gravitációs alapú tárolórendszerek

A szilárdtest-akkumulátorok potenciálisan kétszer annyi energiát tárolhatnak, mint a hagyományos lítiumion-akkumulátorok, miközben sokkal kisebb az égésveszély. Ez azt jelenti, hogy biztonságosan telepíthetők kisebb terekbe, akár városi területek közvetlen közelébe is, robbanásveszély nélkül. Azután ott vannak a gravitációs alapú tárolási megoldások, mint például az Energy Vault nagy mechanikus tornyai. Ezek lényegében nehéz kompozitblokkokat emelnek fel, amikor többletenergia áll rendelkezésre, és újra leengedik őket, amikor szükség van az energiára, így évekig tárolva az energiát. A rendszer csak körülbelül 15%-át veszíti el a tárolt energiának, ami elég jó teljesítmény figyelembe véve, hogy mennyi ideig tartanak ezek az eszközök. Mindezen új technológiák lehetőségeket nyitnak olyan helyeken, ahol a hagyományos akkumulátoros technológia biztonsági aggályok vagy anyaghiány miatt nem működik jól.

Trendanalízis: Globális áttérés a hosszú időtartamú energiatárolásra (LDES) 2030-ig

A piaci előrejelzések szerint a hosszú távú energiatároló (LDES) szektor értéke már ezt az évtized végére is elérheti a körülbelül 120 milliárd dollárt. A fő mozgatórugót az a növekvő igény jelenti olyan rendszerek iránt, amelyek több mint tíz órán keresztül képesek folyamatosan áramot leadni, ami elengedhetetlen ahhoz, hogy csökkentsék a széndioxid-kibocsátást az egész villamosenergia-hálózatokon. Napjainkban majdnem az összes új megújuló energiaforrás-telepítés valamilyen LDES megoldással jár együtt, elsősorban annak köszönhetően, hogy csökkennek az olyan technológiák árai, mint az vas-lég akkumulátorok és a sűrített levegős energiatároló rendszerek. Ami itt most tapasztalható, az már nem csupán arról szól, hogy rövid áramkimaradások alatt is működőképes maradjon a világítás. Ehelyett a vállalatok egyre inkább napokkal, sőt akár hónapokkal előre tekintve tervezik meg, hogyan kezeljék energiatároló rendszereik a hetekig tartó hőhullámoktól egészen az egész évszakosan változó kínálatig és keresletig terjedő feladatokat.

Energia tároló rendszerek hálózati integrációja és üzemeltetési teljesítménye

Az energiatároló rendszerek (ESS) beépítése a mai villamos hálózatokba nem egyszerű feladat. Számos technikai akadályt kell leküzdeni, miközben a lehető legjobb teljesítményt próbáljuk elérni ezekből a rendszerekből. Néhány komoly problémát okoznak azok a kellemetlen feszültségcsúcsok, amelyek akkor keletkeznek, amikor az akkumulátorok gyorsan töltődnek vagy merülnek. Emellett jelentős kihívást jelent a kétirányú áramlás biztosítása a vegyes megújuló energiaforrásokból álló rendszerekben. Egy tavaly megjelent tanulmány szerint a Journal of Power Sources című folyóiratban két fő probléma emelkedik ki azok számára, akik nagy akkumulátorrendszereket szeretnének telepíteni a meglévő, régebbi hálózati infrastruktúrába. Az első a frekvencia stabilitásának fenntartása, ami bonyolulttá válik az akkumulátorok folyamatos hálózatra kapcsolódása és leválasztása miatt. A második pedig a hőfelhalmozódás kezelése ezen óriási létesítményekben, amely egyre nehezebbé válik, ahogy az akkumulátorrendszerek mérete idővel növekszik.

Műszaki kihívások az energiatároló rendszerek hálózatba integrálásánál

A régi hálózatterveknek valóban nehéz lépést tartani azzal a sebességgel, ahogy a lítium-ion akkumulátorok és a folyadékáramlási akkumulátorrendszerek reagálhatnak. Az ilyen rendkívül gyors válaszidők eléréséhez, hogy jól működjenek a szokásos feszültségszabályozó berendezésekkel, általában jelentős munkálatokat igényelnek a transzformátorállomásokon. Egyes terepi jelentések szerint Észak-Amerikában a transzmissziós vállalatoknak körülbelül minden negyedike olyan problémába ütközik, hogy az inverterek nem kompatibilisek, amikor régi állomásokat próbálnak felújítani energiatároló rendszerekhez. Ez utal arra, hogy mennyire sürgős jobb szabványos szabályokat kidolgozni az ilyen új technológiák hálózatra kapcsolásához.

Okos inverterek és fejlett vezérlések a zökkenőmentes megújuló energia integrálásához

A következő generációs intelligens inverterek segítenek az elektromos hálózat stabilitásának fenntartásában, mert lehetővé teszik az energiatároló rendszerek számára, hogy szabályozzák a meddő teljesítményüket, amikor hirtelen növekedés következik be a napenergia-termelésben, vagy csökken a szélenergia elérhetősége. Amikor ezek az eszközök mesterséges intelligenciával vezérelt vezérlőkkel dolgoznak együtt, amelyek előrejelzik a jövőbeli helyzeteket, tesztek szerint tavaly az Egyesült Államok Közép-Nyugati régiójában körülbelül 18 százalékkal csökkent a hulladékba kerülő megújuló energia mennyisége. Vegyük példának Kalifornia CAISO rendszerét, amely kiváló példa erre. Kifejlesztettek néhány rendkívül hatékony módszert valós idejű mérések felhasználásával a 3,2 gigawatt teljesítményű akkumulátorok és napelemek közötti koordináció kezelésére. Ez lehetővé teszi az egész rendszer zavartalan működését annak ellenére, hogy a megújuló energiából származó villamos energia mennyisége folyamatosan változik, miközben az emberek fogyasztási szokásai is átalakulnak a nap során.

Esettanulmány: Kalifornia nagyvárosi méretű akkumulátor-telepítései támogatják a napenergia-túltermelést

2024 májusában, amikor a napelemes termelés rekordmagasságba emelkedett, Kalifornia 4 órás lítium-vas-foszfát akkumulátoraiban körülbelül 1,7 gigawattóra többlet villamosenergia-többlet tárolódott el a nappal közepén. Ez elegendő volt körülbelül 125 ezer háztartás ellátásához. Az így tárolt energia az esti csúcsfogyasztás idején fellépő nagy villamosenergia-igény majdnem 89 százalékát fedezte le. Ez azt mutatja, hogy ha az energiatároló rendszereket (ESS) oda telepítik, ahol ténylegesen szükség van rájuk, akkor az egyébként elvesző energiát hasznos és megbízható erőforrássá alakítják. Ezzel nemcsak az energiapazarlás csökken, hanem a drága földgázalapú erőművekre való függőség is, amelyek csak a csúcsidőszakokban lépnek működésbe. Ez a megközelítés egyszerre előnyös a pénztárcának és a környezetnek is.

Hálózati energiatárolási megoldások gazdasági és környezeti előnyei

A megújuló energiaforrásokkal összekapcsolt energiatárolás általi korlátozás csökkentése

Az energiatárolás csökkenti a megújuló energiaforrásokból származó hulladékot, mivel felhasználja a nap- és széleléskor keletkező többlettermelést alacsony kereslet idején. 2023-ban Kalifornia 34%-kal csökkentette a termelés korlátozását célzott akkumulátorok telepítésével. A tárolt energia leadása csúcsidőszakban maximalizálja a megújuló energia kihasználtságát, és csökkenti a fosszilis üzemanyagú csúcstermelő erőművektől való függőséget, javítva ezzel az áramhálózat fenntarthatóságát és költséghatékonyságát.

A Tárolás Egységesített Költsége (LCOS) javulása hajtja a zöldenergia-felhasználást

A korszerűbb akkumulátor-technológiák és a nagyobb termelési lépték következtében az ionlítium rendszerekre vonatkozó szintezett tárolási költség (LCOS) mintegy 52%-kal csökkent 2018 óta. A villamosenergia-szolgáltatók napjainkban egyre inkább nemcsak a hálózati stabilitás fenntartása, hanem a szükség esetén megbízható áramellátás biztosítása érdekében is alkalmaznak energiatárolási megoldásokat, gyakran olyan költségeken, amelyek valójában versenyképesek a földgázalapú erőművek árával. Egy 2023-as MIT-jelentés szerint a helyzet tovább javulhat, és a négyórás hatótávolságú rendszerek LCOS-értéke a jelenlegi évtized végére akár 50 USD/MWh alá is süllyedhet. Ez a fejlődés nyilvánvalóan felgyorsítja a tisztább, rugalmasabb energiahálózatok kialakításának folyamatát.

Környezeti hatás: Hogyan segíti az energiatárolás a dekarbonizációs célok elérését

A hálózati energiatárolás segít több megújuló energiaforrás beépítésében az elektromos rendszerekbe, évente körülbelül 12–18 millió tonna szén-dioxid-kibocsátás csökkentését eredményezve csupán az Egyesült Államokban. Ez a technológia csökkenti a metántermelő gázturbinákra való függőséget, amikor az elektromos hálózat terhelése megnő. Ha ezt a tárolóképességet megújuló hibrid létesítményekkel kombináljuk, akkor valós előrelépést tehetünk az irányba, hogy az elektromosenergia-termelésből származó kibocsátásokat 72%-kal csökkentsük – sok klímamodell szerint erre van szükség a párizsi egyezmény keretei között. Így ezek az energiatárolási megoldások alapvető fontosságúak bármely komoly kísérletben a üvegházhatású gázok globális szintű csökkentésére, miközben megbízható áramellátást biztosítunk.

GYIK

Milyen szerepe van az energiatároló rendszereknek a hálózat megbízhatóságában?

Az energiatároló rendszerek úgy működnek, mint a lengéscsillapítók: gyorsan reagálnak a feszültségesésekre vagy berendezés-hibákra, így stabilizálják a hálózatot és biztosítják, hogy a kritikus szolgáltatások folyamatosan működjenek.

Hogyan integrálódnak az energiatároló rendszerek a megújuló energiaforrásokba?

Az energiatároló rendszerek felhalmozzák a megújuló források által termelt felesleges energiát, enyhítve a hullámzásokat, és biztosítva a stabil áramellátást akkor is, amikor a megújuló energiatermelés visszaesik.

Milyen szolgáltatásokat nyújtanak az energiatároló megoldások az áramhálózatban?

Ezek a megoldások csúcsvágást végeznek, kisütve az energiát magas igénybevétel idején, valamint terheléskiegyensúlyozást végeznek, azaz az energiafelesleget a túltermelő régiókból a hiányt szenvedőkbe irányítják.

Mik az energiatároló megoldások gazdasági előnyei?

Az energiatároló megoldások csökkentik az energiatárolás egységesített költségszintjét (LCOS), csökkentik a fosszilis üzemanyagú erőművektől való függőséget, és mérsékelik a megújuló energiával kapcsolatos energiapazarlást, így költséghatékony és fenntartható villamosenergia-hálózatokhoz vezetnek.