Kintamumo privalomasis reikalavimas: kodėl elektros tinklo energijos kaupikliai yra būtini integruojant atsinaujinančią energiją

Kaip saulės ir vėjo energijos kintamumas sukuria tiekimo ir paklausos laiko neatitikimus

Problemą su saulės ir vėjo energija sukelia tai, kad ji kyla ir nyksta kartu su orų sąlygomis, dėl ko kyla įvairių problemų, susijusių su tuo, kaip suderinti žmonių poreikį su išgauta energija. Pavyzdžiui, saulės energija pasiekia savo viršūnę apytikriai vidurdienį, tačiau tuo metu dauguma žmonių naudoja nedaug elektros energijos. Vėliau ateina naktis, kai visi įjungia šviestuvus ir buitinę techniką, bet saulė jau visiškai nusileidžia už horizonto. Vėjo energija taip pat nėra geriau: kartais ji pučia stipriai vienu metu, o po kelių valandų – netgi per kelias valandas, kai per aplinką juda audros – staiga silpnėja arba visiškai nustoja pūsti. Dėl šios nepatikimos prigimties tinklo valdytojams vis dar reikia laikyti veikiančius senus anglies ir dujų elektrines, kad būtų galima kompensuoti žaliųjų energijos šaltinių trūkumą, kas kelia išlaidų ir ilgalaikiškai neturi prasmės. Tikroji problema kyla bandomant užtikrinti pakankamai atsinaujinančios energijos tiekimą būtent tada, kai vakare energijos poreikis staigiai išauga, ypač atsižvelgiant į tai, kad kasmet vis daugiau saulės baterijų diegiama ant stogų. Jei nerastume būdų užpildyti šį laiko tarpą tarp to momento, kai švari energija pagaminama, ir to momento, kai jos tikrai reikia, visa mūsų elektros sistema gali tapti nestabili, o mes galime prarasti puikią atsinaujinančią energiją tiesiog todėl, kad jos neįmanoma nei sukaupti, nei panaudoti.

Empiriniai tinklo apkrovos taškai: ERCOT ir CAISO atvejo tyrimai su >30 % atsinaujinančiųjų energijos šaltinių naudojimu

Tikrųjų duomenų, gautų iš pagrindinių JAV elektros tinklų, analizė rodo, kad kai kintamosios atsinaujinančiosios energijos šaltinių dalis sudaro apie 30 % visos gamybos, įtampa tinkle tampa rimta. Pavyzdžiui, Kalifornijoje saulės energijos gamyba dažnai staigiai sumažėja net 80 % nuo 16 val. iki 20 val., kai žmonės grįžta namo ir įjungia šviesas, buitinę techniką ir pan., tuo pat metu elektros poreikis padidėja maždaug 40 %. Tai sukuria milžinišką 15 gigavatų deficitą, kurį operatoriams reikia užpildyti labai greitai naudojant dujų elektrines. Praėjusiais metais per siaubingą karščiutį šis taip vadinamas „antis formos kreivės“ reiškinys beveik sukėlė periodines elektrinės energijos tiekimo pertraukas, nors dienos metu saulė švietė labai ryškiai. Ir ne tik Kalifornija susidūrė su šia problema. 2023 m. Teksase panaši situacija kilo, kai smarkiai sumažėjo vėjo jėga per didžiausio apkrovos laikotarpį. Valstijoje elektros energijos kainos išaugo iki 740 000 JAV dolerių už megavatvalandę, nes tuo metu vėjo jėgainės gamino tik 8 % savo galimos galios. Šie realaus pasaulio pavyzdžiai aiškiai parodo, kodėl, remiantis atsinaujinančiosiomis energijos šaltiniais, būtina turėti pakankamai energijos kaupimo galimybių. Jei nebus tinkamų rezervinių sistemų, mes rizikuojame tiek elektros tiekimo nutraukimais, tiek staigiais kainų svyravimais – būtent tuo metu, kai jų leisti sau negali niekas.

Pagrindinės tinklo paslaugos, įgalintos tinklo energijos kaupikliais

Dažnio reguliavimas ir inercijos palaikymas: subsekundinis atsakas iš litio jonų BESS

Šiandienos elektros tinklai reikalauja beveik akimirksniu pataisymų, kad tik palaikytų tinkamą dažnį – apie 50 arba 60 Hz, priklausomai nuo vietos. Litio jonų baterijų kaupimo sistemos reaguoja į šiuos tiekimo ir paklausos svyravimus per mažiau nei sekundę, todėl jų našumas žymiai pranašesnis už senųjų šiluminių elektrinės bet kuriuo metu. Jei tinklo dažnis nukrenta per žemai, šios baterijos gali per pusę sekundės grąžinti energiją į sistemą. O kai per tinklą teka per daug energijos, jos ją tiesiog „sugeria“. Šis greitas reagavimas padeda išlyginti vėjo ir saulės energijos šaltinių sukeltus svyravimus, užtikrindamos apie 90 % tikslumą viską subalansuojant. Tai žymiai geriau nei standartiniai 30–40 %, kurį pasiekia tradicinė įranga. Kas dar labiau puiku? Šiuolaikiniai keitikliai dabar imituoja tai, kas vadinama sukamąja inercija – anksčiau ji buvo didelių besisukančių generatorių išimtinė sritis. Jie tai daro stebėdami įtampų kampų pokyčius visame tinkle ir tuoj pat koreguodami galios srautą, beveik kaip refleksinis veiksmas.

Rampavimo palaikymas ir juodųjų paleidimų galimybė – iškraunamųjų elektros energijos gamybos įrenginių su degalais pakeitimas tinklo energijos kaupikliais

Energijos kaupimo tinklai sumažina mūsų priklausomybę nuo senųjų, anglies turinčių viršūnių elektrinės, kai elektros energijos paklausa staigiai išauga. Tradiciniai dujų varikliai pilnai įsijungia per daugiau nei dešimt minučių, o baterijų energijos kaupimo sistemos (BESS) gali pasiekti maksimalią galios našumą per mažiau nei vieną sekundę, nedelsdamos reaguoti į netikėtus saulės ar vėjo energijos gamybos nuosmukius. Pavyzdžiui, praeitais metais Kalifornijoje vykusioje žiauriai karštoje bangos metu šios energijos kaupimo sistemos per kelias minutes įjungė apie 2,4 gigavatų galios padidinimo galimybes, taip užkliudydamos visuotinius nutraukimus. Kai reikia paleisti sistemą iš naujo po visiško išsijungimo, šios energijos kaupimo sistemos iš tikrųjų savarankiškai paleidžiamos naudodamos sukauptą energiją, o vėliau palaipsniui paleidžiamos esminės tinklo dalys – tai jau buvo sėkmingai patikrinta mažųjų tinklų bandymuose. Palyginti su atsarginiais dyzeliniais generatoriais, šiuolaikinės energijos kaupimo sistemos dėka protingų įkrovos lygio valdymo sistemų galima nepertraukiamai veikti kelias valandas. Visa tai reiškia, kad tinklai po sutrikimų atsigenda daug greičiau – iš tikrųjų apie 70 % greičiau – ir kiekvienais metais srityse, kuriose energijos mišinyje dominuoja atsinaujinančios energijos šaltiniai, iš viso sutaikoma apytiksliai 8,2 milijono tonų šiltnamio efektą sukeliančių dujų.

Technologijų aplinka: tinklo energijos kaupimo sprendimų pritaikymas sistemos poreikiams

Vandens siurblinės energijos kaupimo sistemų palyginimas su baterijų energijos kaupimo sistemomis: galia, veikimo trukmė ir diegimo apribojimai

Pagal 2023 m. IEA ataskaitą, vandens siurblinės energijos kaupimo sistemos sudaro apie 95 % viso pasaulinio energijos kaupimo pajėgumo. Šios sistemos gali laikyti energiją nuo šešių iki dvidešimt ar daugiau valandų, todėl jos puikiai tinka dideliems galios kiekiams perkelti, kai to reikia. Tačiau yra viena sąlyga: tam reikia tam tikrų reljefo sąlygų, o pačių sistemų statyba paprastai trunka nuo penkerių iki dešimties metų. Kitokia situacija su baterijų energijos kaupimo sprendimais, pvz., litio jonų BESS. Šios sistemos yra žymiai lengviau įdiegtinos, nes jos gaminamos modulinėmis dalimis, kurios gali būti pridedamos pagal poreikį. Be to, jos beveik akimirksniu reaguoja į elektros tinklo signalus, todėl labai efektyviai palaiko tinklo dažnį stabilų. Tačiau dauguma litio baterijų naudingosios veiksmo trukmės lygyje su elektros tinklu yra tik viena–keturios valandos, po to joms reikia pakartotinio įkrovimo. Nors baterijų technologija išsprendžia vietos pasirinkimo problemas, kurios kelia sunkumų vandens siurblinėms, vis dar išlieka ribota energijos talpa vienam vienetui ir neperstojant kyla nerimas dėl žaliavų, iš kurių gaminamos šios baterijos, kilmės. Šie veiksniai tikrai kelia kliūtis, kai bandoma mastuoti apie baterijų energijos kaupimo sistemų plėtrą visose regionuose.

Ilgo veikimo trukmės variantai: srautinės baterijos ir žalia vandenilis daugiau nei vienai valandai trunkančiam balansavimui

Kai reikia subalansuoti energijos poreikius kelias dienas ar net keletą sezonų, srautinės baterijos ir žalia vandenilis tikrai užima vietą, kur kiti variantai prastai susitvarko dėl saugojimo laiko. Pavyzdžiui, vanadžio redoksinių srautinių baterijų veikimo trukmė gali siekti nuo 8 iki 12 valandų ir daugiau be didelės nusidėvėjimo per maždaug du dešimtmečius. Pagrindinis trūkumas? Šie įrenginiai pradžioje kainuoja ganėtinai brangiai, todėl šiuo metu jie dar nebuvo plačiai įdiegti. Kitas variantas – žalia vandenilis, gaminamas elektrolizės būdu naudojant atsinaujinančios energijos šaltinius, kurį galima saugoti mėnesiais po to, kai jis yra talpinamas dideliuose požeminiuose druskos urvuose. Kai kurie bandymo projektai jau parodė galimybę saugoti daugiau kaip 100 megawatvalandžių energijos. Šių sprendimų ypatingumas – gebėjimas patenkinti ilgalaikio saugojimo poreikius, neatsiduriant prieš mineralų stygių, kuris kelia problemų ličio jonų baterijų gamybai.

Strateginis įgyvendinimas: tinklo energijos kaupimo politika, ekonomika ir mastelis

Norint veiksmingai įdiegti ir eksploatuoti elektros tinklo energijos kaupimo sistemas, reikia gerų politikos priemonių, tvirto ekonominio pagrindo ir technologijų, kurios leistų padidinti gamybą. Reguliavimas padeda judėti pirmyn per tokias priemones kaip atsinaujinančiųjų energijos šaltinių naudojimo normatyvai ir investicijų mokesčių nuolaidos. Tačiau didmeninėse rinkose vis dar kyla sunkumų tinkamai įvertinti energijos kaupimo sistemų naudą tiek energijos prekyboje, tiek rezervinėse paslaugose. Pinigai taip pat lieka didelė problema. Pagal naujausius duomenis šiuo metu litio jonų sistemos kaina siekia apie 350 JAV dolerių už kWh, todėl įmonėms reikia kūrybiškų būdų finansuoti projektus, derinant įvairius pajamų šaltinius, kad projektai būtų pelningi. Taip pat reikia tobulinti tiekimo grandines šiems svarbiems mineralams bei statyti daugiau gamyklos, gaminančios energijos kaupimo įrenginius. Ekspertai įvertino, kad iki 2030 m. visame pasaulyje reikės apytiksliai 485 gigavatų galios tik tam, kad elektros energijos gamybos mišinyje atsinaujinančiųjų energijos šaltinių dalis sudarytų 65 %. Taip pat labai svarbu suderinti visas šias politikos priemones. Tinklo prijungimo standartai, vietos teritorijų planavimo įstatymai ir rinkos taisyklės sukuria kliūtis pažangai, ypač kai kalbama apie naujas energijos kaupimo technologijas, kurios reikalauja realių sąlygų bandomosios eksploatacijos, kol bus galima jas taikyti mastu. Kai energijos kaupimo sistemos tinkamai integruojamos į tinklo planavimą, tai keičia komunalinių įmonių požiūrį į naujos galios pajėgumų įdiegimą. Vietoje to, kad tiesiog įjungtų papildomų generatorių, jos pradeda vertinti visą turimų išteklių spektrą, stengdamosi pasiekti klimato tikslus, nepažeisdamos patikimos elektros energijos tiekimo.

D.U.K.

Kodėl tinklo energijos kaupimo sistemos yra svarbios atsinaujinančiosios energijos integracijai?

Tinklo energijos kaupimo sistemos yra būtinos, nes jos sprendžia tiekimo ir paklausos neatitikimus, kuriuos sukelia saulės ir vėjo energijos netolygus pobūdis, užtikrindamos stabilią elektros tiekimą net ir didžiausios apkrovos valandomis.

Kokie yra tradicinių elektrinės jėgainių naudojimo iššūkiai integruojant atsinaujinančiąją energiją?

Tradicinėse naftos ir dujų jėgainėse kyla problemų dėl reakcijos laiko, o taip pat jos sukelia didesnes eksploatacines sąnaudas ir emisijas. Remiantis jomis kaip rezervinėmis sistemomis gali būti sumažinti potencialūs taupymo ir aplinkosaugos pranašumai, kurie būdingi atsinaujinančiosios energijos naudojimui.

Kaip pažangiosios akumuliatorių kaupimo sistemos palaiko tinklo dažnio reguliavimą?

Pažangiosios akumuliatorių kaupimo sistemos, pvz., litio jonų BESS, beveik akimirksniu reaguoja į dažnio pokyčius, efektyviai pateikdamos arba sugerdamos greitą galios įtampą, kad palaikytų tinklo stabilumą.

Kokios yra tinklo energijos kaupimo sprendimų rūšys?

Yra įvairių saugojimo sprendimų, tokių kaip vandens siurblinės hidroelektrinės, litio jonų baterijos, srautinės baterijos ir žalia vandenilis, kiekvienas iš jų atitinka skirtingus poreikius, pvz., talpos trukmę, diegimo apribojimus ir sąnaudų efektyvumą.

Kokia politikos reikšmė energijos saugyklos masto didinimui elektros tinkle?

Politika sukuria teisinį reguliavimo pagrindą, kuris palengvina investicijas į energijos saugyklas ir jų rinkos priėmimą, o tai yra būtina energijos saugyklos masto didinimui ir veiksmingam jos integravimui į elektros tinklą, kad būtų užtikrinta, jog energijos saugykla atitiktų vis didėjančius atsinaujinančios energijos tikslus.