Tinklo patikimumo ir atsparumo stiprinimas naudojant tinklo energijos kaupimo sprendimus

Kaip tinklo energijos kaupimo sprendimai padidina tinklo patikimumą ir atsparumą

Energijos kaupimo sistemos veikia panašiai kaip šokų amortizatoriai šių dienų elektros tinkluose, beveik iš karto reaguodamos į įtampos kritimus ar įrangos gedimus. Šios sistemos dažnį palaiko gana stabilų – arti standartinio 60 arba 50 Hz lygio, paprastai ne daugiau kaip pusės herco paklaidos ribose. Tai yra svarbu, nes be tokio valdymo anksčiau jau buvo susiduriama su didelėmis problemomis, kai mažos nesklandumai virstdavo milžiniškomis elektros tiekimo pertraukimis, paveikiančiomis kelias valstijas vienu metu. Tai, kas daro šiuos kaupiklius tokiais vertingais, yra jų gebėjimas per kelią sekundės dalį grąžinti elektros energiją atgal į tinklą, kuris labai padeda stabilizuoti visą sistemą. Kai kur tinkle kyla problemų, tokia greito atsako savybė tampa būtina siekiant užtikrinti ligoninių, avarinių tarnybų ir kitų svarbių funkcijų sklandžią veiklą.

Energijos kaupimo integravimas su atsinaujinančiais energijos šaltiniais stabiliai tiekiai

Energijos kaupimas veikia labai gerai kartu su saulės baterijomis ir vėjo jėgainėmis, nes atsinaujinančios energijos šaltiniai per dieną gana dažnai kinta – apie 70 % laiko. Energijos tiekimo įmonės gali toliau tiekti elektrą be reikalo pasitelkti anglių ar dujų elektrines kaip atsarginius šaltinius, kas ypač svarbu naktį, kai saulėlydis, arba tada, kai kelias dienas iš eilės nepučia vėjas. Sukauptas maitinimas užpildo tuos tarpus, kai energijos gamyba sumažėja, todėl žmonės vis dar gauna patikimą elektros energiją iš rozetės. Tai leidžia mūsų tinklui bendrai turėti daugiau švarios energijos – kažką, ko aplinkosaugininkų grupės prašo jau daug metų.

Energijos kaupimo paslaugos, tokios kaip pikinės apkrovos mažinimas ir apkrovos balansavimas, paaiškintos

• Pikinės apkrovos mažinimas: Kaupiklis išsikrauna per paros paklausos pikus (pvz., 17–20 val.), sumažindamas apkrovą perdavimo linijose ir atidėliodamas brangius infrastruktūros modernizavimus
• Apkrovos balansavimas: Baterijos perteklinę energiją iš per tiekiamų zonų nukreipia į deficituojančias vietoves, optimizuodamos tinklo panaudojimą ir mažindamos perkrovimą

Šios paslaugos padidina efektyvumą ir sumažina senėjančios infrastruktūros nublukimą, prisidedant prie ilgalaikės sistemos patikimumo

Duomenų įžvalga: tinklo kaupikliai sutrumpina gedimų trukmę iki 40 % (JAV Energetikos departamentas, 2023 m.)

JAV Energetikos departamento 2023 metų atkūrimo gebėjimų ataskaita parodė, kad regionai, turintys bent 500 MW saugojimo galios, per audras elektros tiekimą atkūrė 2,3 valandos greičiau nei tinklai be saugojimo. Šis 40 % pagerėjimas gedimų atkūrimo procese yra dėl saugojimo galimybių:

1. Užtikrinti kritiškai svarbių objektų – ligoninių, duomenų centrų, vandentiekio valymo įrenginių – veikimą perduodant gedimus
2. Leisti greitesnį „juodojo paleisties“ tinklo paleidimą naudojant atsargines saugojimo sistemas, pagreitinant visišką atkūrimą

Ši savybė darosi vis svarbesnė, kai ekstremalūs orai kelia iššūkius tinklo atkūrimui

Pagrindinės energijos kaupimo technologijos, kurios suteikia galimybes šiuolaikinėms tinklo panaudojimo sritims

Energijos kaupimo technologijų apžvalga ir jų klasifikacija pagal trukmę bei funkciją

Šiuolaikiniai tinklo energijos kaupimo sprendimai naudoja įvairias technologijas, kurių kiekviena tinka tam tikrai trukmei ir funkcijoms:

Technologijos tipas	Trukmė	Pagrindinės programos
Litijų jonų baterijos	Trumpalaikė-vidutinė trukmė	Dažnio reguliavimas, viršūninių apkrovų palaikymas
Skaitmeninės baterijos	Vidutinė-ilgalaikė trukmė	Apkrovos perkėlimas, atsinaujinančių energijos šaltinių integracija
Šildomi vandens saugyklai	Ilgalaikis	Masinė energijos saugojimo sistema, sezoninis balansas
Terminis saugojimas	Trumpalaikė-ilgalaikė trukmė	Pramonės šilumos valdymas, derinio šilumos ir energijos (CHP) sistemos

Kaip rodo tyrimai darniose energijos sistemose, tokia klasifikacija padeda energijos tiekimo įmonėms suderinti technologijų pasirinkimą su operaciniais poreikiais – trumpalaikės trukmės sistemos, tokios kaip superkondensatoriai, tvarko akimirksnius nesubalansavimus, o srauto baterijos valdo daugiau nei valandą trunkančius atsinaujinančių energijos šaltinių išvesties pokyčius.

Ličio jonų ir srauto baterijos: našumas tinklo energijos kaupimo sprendimuose

Ličio jonų baterijos yra praktiškai pagrindinis pasirinkimas trumpalaikiam saugojimui, nes jų apgręžtinė efektyvumo norma siekia nuostabią 90–95 % ribą, o reakcijos laikas yra mažesnis nei 100 milisekundžių. Tačiau ilgalaikiams sprendimams išsiskiria srauto baterijos. Šios sistemos tarnauja nuo 20 iki 30 metų, palyginti su ličio baterijų tipiniu 10–15 metų gyvavimo laiku. Be to, srauto technologija lengvai gali būti padidinama tiek, kiek reikia 4–12 valandų išsikrovimo ciklams, kurie būtini derinant jas su atsinaujinančiais energijos šaltiniais, tokiais kaip saulės baterijos ar vėjo jėgainės, per kelias dienas. Tai, kad jų elektrolitai laikui bėgant nesibaigia, iš tikrųjų padeda sumažinti bendrus techninio aptarnavimo išlaidas, nors jų energijos tankis vienetinėje tūrio vienete yra mažesnis nei ličio alternatyvų.

Atsirandančios technologijos: kietojo kūno ir gravitacijos pagrįsti saugojimo sprendimai

Kietosios būsenos baterijos gali laikyti dvigubai daugiau energijos nei įprasti litio jonų elementai, tuo pačiu sukeliant žymiai mažesnę užsidegimo riziką. Tai reiškia, kad jas galima saugiai montuoti mažose erdvėse tiesiog šalia miesto zonų, nesibaiminant sprogimų. Kitas dalykas – gravitacinio tipo kaupimo sprendimai, pavyzdžiui, dideli mechaniniai bokštai nuo Energy Vault. Jie paprasčiausiai kelia aukštyn sunkius kompozitinius blokus, kai yra perteklinė energija, ir vėliau nuleidžia juos žemyn, kai energijos reikia, šiuo būdu kaupdami energiją metams iš eilės. Sistema praranda tik apie 15 % sukauptos energijos, kas yra gana gerai, atsižvelgiant į šių sistemų ilgą tarnavimo laiką. Visos šios naujos technologijos atveria galimybes vietose, kur tradicinė baterijų technologija veikia neefektyviai dėl saugumo problemų ar ribotų medžiagų.

Tendencijų analizė: pasaulinis poslinkis link ilgalaikio energijos kaupimo (LDES) iki 2030 m.

Rinkos prognozės rodo, kad ilgalaikio energijos kaupimo (LDES) sektorius galėtų pasiekti apie 120 milijardų JAV dolerių vertę šio dešimtmečio pabaigoje. Pagrindinis postūmis kyla dėl didėjančio poreikio sistemoms, kurios gali tiekti energiją daugiau nei dešimt valandų iš eilės, kas yra būtina visose elektros tinklo sistemose sumažinant anglies emisijas. Šiuo metu beveik pusė visų naujų atsinaujinančios energijos įrenginių diegimų ateina kartu su tam tikru LDES pažadu, daugiausia dėl mažėjančių kainų technologijoms, tokioms kaip geležies-oras baterijos ir suspausto oro saugojimo sprendimai. Tai, ką matome dabar, jau nebeapsiriboja tik tuo, kad elektros energija būtų užtikrinta trumpalaikiams gedimams. Vietoj to, įmonės pradeda planuoti kelias dienas į priekį, net mėnesius į priekį, kai vertina, kaip jų energijos kaupimo sistemos susidoros su viskuo – nuo savaitę trunkančių karščių bangų iki visų metų laikų kintamo energijos tiekimo ir paklausos.

Energetikos sistemų integracija į tinklą ir veikimo našumas

Energijos kaupimo sistemos (EKS) integruoti į šių dienų elektros tinklus nėra paprasta. Siekiant pasiekti geriausią galimą šių sistemų našumą, reikia įveikti daug techninių kliūčių. Tikras skausmas – susidorojimas su erzinančiais įtampos šuoliais, kurie atsiranda greitai kraunant ir iškraunant baterijas. Be to, sudėtinga užtikrinti abipusį energijos srautą mišriose atsinaujinančios energijos sistemose. Pagal prieš metus publikuotą tyrimą žurnale „Journal of Power Sources“, yra du pagrindiniai iššūkiai tiems, kas nori įrengti didelius baterijų komplektus senesnėje tinklo infrastruktūroje. Pirmasis – tai dažnio stabilumo palaikymas, kuris tampa sudėtingas dėl nuolatinio baterijų prijungimo ir atjungimo. Antrasis – šilumos kaupimosi valdymas šiose milžiniškose instaliacijose, kas tampa vis sunkiau, kai baterijų masyvai laikui bėgant didėja.

Techniniai iššūkiai, integravus energijos kaupimo sistemas į tinklą

Senų tinklelių konstrukcijos turi tikrų sunkumų spėti paskui tai, kaip greitai gali reaguoti litio jonų baterijos ir srauto baterijų sistemos. Siekiant pasiekti tokio greito reagavimo laikų, kad veiktų su įprastais įtampos valdymo įrenginiais, paprastai reikia atlikti didelius darbus transformatorinėse. Pagal kai kuriuos praktikos ataskaitas, maždaug kiekviena iš keturių perdavimo įmonių Šiaurės Amerikoje susiduria su problemomis dėl invertorių nesuderinamumo, kai bando modernizuoti senąsias transformatorines energijos kaupimo sistemoms. Tai rodo, kodėl taip svarbu turėti geresnius standartinius reikalavimus, skirtus prijungti šias naujas technologijas prie elektros tinklo.

Išmanieji keitikliai ir pažengę valdymo įrenginiai, leidžiantys be pertraukimų integruoti atsinaujinančias energijos šaltinius

Kitos kartos protingi inversijai padeda išlaikyti elektros tinklą stabilų, nes leidžia energijos kaupimo sistemoms koreguoti reaktyviąją galiai, kai staigiai padidėja saulės energijos gamyba arba sumažėja vėjo energijos prieinamumas. Kai šie įrenginiai veikia kartu su dirbtinio intelekto valdymo sistemomis, kurios prognozuoja artėjančius pokyčius, praėjusiais metais Vidurio Vakarų regione buvo pasiekta apie 18 procentų sumažėjimas atliekamos atsinaujinančios energijos kiekio. Paimkime Kalifornijos CAISO sistemą kaip geras pavyzdį. Jie įdiegė itin veiksmingas metodes, naudodami realaus laiko matavimus, kad koordinuotų 3,2 gigavatų baterijų ir saulės baterijų darbą. Tai padeda viskam veikti sklandžiai, nepaisant to, kad atsinaujinančių energijos šaltinių tiekiamos elektros kiekis nuolat kinta, o žmonių vartojimo modeliai taip pat keičiasi per dieną.

Atvejo analizė: Kalifornijos didelės apimties baterijų diegimai, palaikantys saulės energijos perteklių

2024 m. gegužę, kai saulės energijos gamyba pasiekė rekordinį lygį, Kalifornijos keturių valandų trukmės litio geležies fosfato baterijų komplektas įsisavino apie 1,7 gigavatvalandžių per dieną papildomai pagamintos elektros energijos. Šito pakaktų tiek pat, kiek reikia apie 125 tūkstančiams namų ūkių. Tokiu būdu sukaupta energija padengė beveik 89 procentus didelio elektros poreikio šuolio vakariniais valandomis. Tai rodo, kad tada, kai energijos kaupimo sistemos (EKS) yra įrengiamos ten, kur jos iš tikrųjų reikalingos, perteklinė energija, kuri kitaip būtų švaistoma, tampa naudinga ir patikima. Taip sumažinama švaistoma energija ir tuo pačiu metu mažinama priklausomybė nuo brangių dujų elektrinių, kurios įsijungia aukštosiomis apkrovos valandomis. Ir piniginė, ir aplinka iš to tik naudos.

Tinklo energijos kaupimo sprendimų ekonominiai ir aplinkosauginiai pranašumai

Atmetimo mažinimas integruojant energijos kaupimo sistemas su atsinaujinančiosios energijos šaltiniais

Energijos kaupimas sumažina atsinaujinančios energijos švaistymą, kaupdamas perteklinę saulės ir vėjo energijos gamybą mažo paklausos laikotarpiais. 2023 m. Kalifornija 34 % sumažino energijos atmetimą taikydama tiksliniai baterijų diegimus. Išleidžiant šią sukauptą energiją aukšto apkrovos valandomis maksimaliai padidinamas atsinaujinančios energijos panaudojimas ir mažinama priklausomybė nuo iškastinio kuro naudojančių viršūnių elektrinių, tokiu būdu gerinant elektros tinklo darnumą ir sąnaudų efektyvumą.

Kaupimo lyginamosios sąnaudos (LCOS) tobulinimas skatina žaliosios energijos plitimą

Baterijų technologijų tobulinimas kartu su didesnėmis gamybos apimtimis nuo 2018 metų sumažino litio jonų sistemų saugojimo lygmenų sąnaudas (LCOS) maždaug 52 %. Šiuo metu energijos tiekimo įmonės vis dažniau naudoja energijos kaupimo sprendimus ne tik siekdamos užtikrinti tinklo stabilumą, bet ir užtikrinti patikimą elektros tiekimą, kai prireikia, dažnai tokia kaina, kuri iš esmės gali pranokti tai, ką siūlo gamtinių dujų elektrinės. Naujausias 2023 m. MIT ataskaita rodo, kad situacija gali pagerėti dar labiau, prognozuojant, kad keturių valandų trukmės sistemų LCOS galėtų nukristi žemiau 50 JAV dolerių per megavatvalandę iki šio dešimtmečio pabaigos. Toks progresas tikrai pagreitina mūsų judėjimą link švaresnių energijos tinklų, kurie galėtų atlaikyti bet kokius iššūkius.

Aplinkos poveikis: kaip energijos kaupimas palaiko dekarbonizacijos tikslus

Tinklo energijos kaupimas padeda integruoti daugiau atsinaujinančiųjų energijos šaltinių į mūsų energijos sistemas, kas JAV vien sumažina apie 12–18 milijonų tonų anglies dioksido išmetamųjų dujų kiekvienais metais. Ši technologija sumažina priklausomybę nuo metanu turtingų dujoturbinių agregatų, kai elektros tinkle yra apkrova. Sujungus šią kaupimo galimybę su atsinaujinančiosios energijos hibridinėmis įrengimais, pasiekiama tikra pažanga link drąsaus 72 % emisijų mažinimo iš elektros gamybos, kurio reikia pagal daugelio klimato modelių rekomendacijas, nustatytas Paryžiaus susitarimo pagrindu. Taigi, šie kaupimo sprendimai išsiskiria kaip esminiai komponentai bet kokiam rimtam bandymui mažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekį visame pasaulyje, tuo pat metu užtikrinant patikimą energijos tiekimą.

DAK

Koks yra energijos kaupimo sistemų vaidmuo tinkle?

Energijos kaupimo sistemos veikia kaip smūgio sugerėjai, greitai reaguodamos į įtampos kritimą ar įrangos gedimus, kad stabilizuotų tinklą ir užtikrintų, jog kritiškai svarbios paslaugos būtų toliau maitinamos be pertraukos.

Kaip energijos kaupimo sistemos integruojamos su atsinaujinančios energijos šaltiniais?

Energijos kaupimo sistemos kaupia perteklinę atsinaujinančiųjų energijos šaltinių pagamintą energiją, sumažindamos svyravimus ir užtikrindamos stabilų energijos tiekimą net tada, kai atsinaujinančiųjų energijos šaltinių gamyba sumažėja.

Kokios paslaugos tinklui teikiamos naudojant energijos kaupimo sprendimus?

Šie sprendimai leidžia mažinti apkrovos viršūnes išleisdami energiją aukštos paklausos metu bei reguliuoti apkrovas perpaskirstydami perteklinę energiją iš pernelyg aprūpinamų zonų į deficitą patiriančias.

Kokie yra energijos kaupimo sprendimų ekonominiai pranašumai?

Energijos kaupimo sprendimai sumažina saugojimo vienetinę kainą (LCOS), mažina priklausomybę nuo iškastinio kuro elektrinėmis ir riboja atsinaujinančios energijos švaistymą, dėl ko energijos tinklai tampa sąnaudų efektyvesni ir tvarūs.