Zvyšovanie spoľahlivosti a odolnosti elektrickej siete pomocou riešení pre skladovanie energie do siete

Ako riešenia pre skladovanie energie do siete zvyšujú spoľahlivosť a odolnosť elektrickej siete

Systémy na ukladanie energie fungujú podobne ako tlmiče v dnešných elektrických sieťach a takmer okamžite reagujú pri poklese napätia alebo poruchách zariadení. Tieto systémy udržiavajú frekvenciu regulovanú približne na štandardnej úrovni 60 alebo 50 Hz, zvyčajne v rozmedzí asi pol hertzov nahor alebo nadol. To je dôležité, pretože bez takejto regulácie sme už skôr zažili veľké problémy, keď sa malé záležitosti postupne zosilnili do rozsiahlych výpadkov elektriny ovplyvňujúcich naraz viacero štátov. To, čo robí tieto systémy na ukladanie tak cennými, je ich schopnosť vrátiť elektrinu späť do siete za zlomky sekundy, čo výrazne pomáha stabilizovať celú sieť. V obdobiach, keď sa na sieti niečo pokazí, sa táto schopnosť rýchlej reakcie stáva absolútne nevyhnutnou pre nepretržitý chod nemocníc, záchranných služieb a iných kritických prevádzok.

Integrácia systémov na ukladanie energie so zdrojmi obnoviteľnej energie pre stabilný dodávok

Ukladanie energie funguje veľmi dobre v kombinácii so solárnymi panelmi a veternými turbínami, pretože obnoviteľné zdroje sa počas dňa dosť výrazne kolísajú – približne 70 % času. Elektrické spoločnosti tak môžu naďalej dodávať elektrinu bez toho, aby museli ako záložné zdroje využívať uhlie alebo plyn, čo je mimoriadne dôležité v noci, keď zapadne slnko, alebo keď niekoľko dní nefúka vietor. Uložená energia pokryje tieto medzery, keď klesne výroba, takže ľudia aj naďalej dostávajú spoľahlivú elektrinu zo zásuviek. To umožňuje celkovo zvýšiť podiel čistej energie v našej elektrickej sieti, o čo environmentálne skupiny usilujú už mnoho rokov.

Služby ukladania energie, ako sú redukcia špičkového zaťaženia a vyrovnávanie zaťaženia

• Redukcia špičkového zaťaženia: Ukladanie uvoľňuje energiu počas denných špičiek dopytu (napr. 17:00–20:00), čím znižuje zaťaženie prenosových vedení a odďahuje nákladné aktualizácie infraštruktúry
• Vyrovnávanie zaťaženia: Batérie presmerujú prebytočnú energiu z oblastí s nadbytkom do oblastí s nedostatkom, čím optimalizujú využitie siete a minimalizujú preťaženie

Tieto služby zvyšujú efektivitu a znížia opotrebovanie starnej infraštruktúry, čo prispieva k dlhodobej spoľahlivosti systému.

Požitok z dát: Skladovanie energie v sieti skracuje dobu výpadkov až o 40 % (U.S. DOE, 2023)

Správa o odolnosti od Ministerstva energetiky USA z roku 2023 zistila, že regióny s kapacitou skladovania najmenej 500 MW obnovili dodávku elektriny počas búr rýchlejšie o 2,3 hodiny v porovnaní so sieťami bez skladovania. Toto zlepšenie pri obnovovaní výpadkov o 40 % vyplýva z možností skladovania, a to:

1. Zabezpečiť prevádzku kritických zariadení – nemocníc, dátových centier, čistiarní vôd – počas výpadkov prenosu
2. Umožniť rýchlejšie opätovné spustenie siete „z čiernej“ pomocou uložených zásob, čím sa urýchli úplné obnovenie

Táto schopnosť je čoraz dôležitejšia, keď extrémne poveternostné udalosti ovplyvňujú odolnosť elektrickej siete.

Kľúčové technológie na ukladanie energie, ktoré poháňajú moderné aplikácie siete

Prehľad technológií na ukladanie energie a ich klasifikácia podľa trvania a funkcie

Moderné riešenia pre ukladanie energie do elektrickej siete využívajú širokú škálu technológií, pričom každá je vhodná pre konkrétne trvanie a funkciu:

Typ technológie	Trvanie	Kľúčové aplikácie
Litium-iónové batérie	Krátke a stredné trvanie	Regulácia frekvencie, podpora špičkových výkonov
Prúdové batérie	Stredné a dlhé trvanie	Presun zaťaženia, integrácia obnoviteľných zdrojov
Čerpané vodné zásobovanie	Dlhodobé	Hromadné ukladanie energie, sezónne vyrovnávanie
Tepelné ukladanie	Krátke až dlhé trvanie	Manažment priemyselného tepla, systémy KCH

Ako ukazuje výskum udržateľných energetických systémov, táto klasifikácia pomáha distribučným spoločnostiam zosúladiť voľbu technológií s prevádzkovými potrebami – systémy krátkeho trvania, ako sú superkondenzátory, zvládajú okamžité nerovnováhy, zatiaľ čo tokové batérie riadia viac-hodinové posuny výroby z obnoviteľných zdrojov.

Lítovo-iónové a prietokové batérie: výkon v riešeniach pre ukladanie energie do siete

Lítovo-iónové batérie sú prakticky štandardnou voľbou pre krátkodobé potreby ukladania, pretože ponúkajú pôsobivú účinnosť cyklu nabíjania a vybíjania v rozmedzí od 90 % do 95 % a časy odozvy pod 100 milisekúnd. Keď však ide o dlhodobejšie riešenia, vynikajú prietokové batérie. Tieto systémy vydržia 20 až 30 rokov, oproti typickému životnému cyklu lítiových batérií okolo 10 až 15 rokov. Navyše technológia prietokových batérií sa dá jednoducho škálovať pre vybíjacie cykly trvajúce 4 až 12 hodín, ktoré sú potrebné pri spájaní s obnoviteľnými zdrojmi, ako sú solárne panely alebo veterné elektrárne, počas viacerých dní. Skutočnosť, že ich elektrolyty sa v čase nerozkladajú, v skutočnosti pomáha znížiť celkové náklady na údržbu, aj keď majú nižšiu energetickú hustotu na jednotku objemu v porovnaní s lítiovými alternatívami.

Novejšie technológie: tuhostavové a gravitačné systémy ukladania

Baterie so pevným elektrolytom by mohli potenciálne obsahovať dvojnásobnú energiu v porovnaní s bežnými lítiovými článkami, pričom hrozí výrazne nižšie riziko vzniku požiaru. To znamená, že ich možno bezpečne inštalovať do menších priestorov priamo v mestských oblastiach, bez obáv z výbuchov. Ďalšou alternatívou sú skladovacie riešenia využívajúce gravitáciu, ako napríklad veľké mechanické veže od spoločnosti Energy Vault. Tento systém v podstate dvíha ťažké kompozitné bloky hore, keď je dostupná extra energia, a následne ich spúšťa nadol, keď je energia potrebná. Týmto spôsobom je možné ukladať energiu roky. Strata systému činí približne 15 % uloženej energie, čo je pomerne dobré vzhľadom na životnosť týchto zariadení. Všetky tieto nové technológie otvárajú nové možnosti v oblastiach, kde tradičná batériová technológia nepracuje efektívne kvôli bezpečnostným rizikám alebo obmedzeným materiálom.

Analýza trendov: Globálne presuny ku dlhodobému ukladaniu energie (LDES) do roku 2030

Trhové predpovede naznačujú, že sektor dlhodobého ukladania energie (LDES) by mohol dosiahnuť hodnotu okolo 120 miliárd dolárov do konca tohto desaťročia. Hlavný impulz pochádza zo stúpajúceho dopytu po systémoch, ktoré dokážu vybíjať energiu nepretržite viac ako desať hodín, čo je niečo nevyhnutné na zníženie emisií uhlíka naprieč celými energetickými sieťami. Takmer polovica všetkých nových inštalácií obnoviteľných zdrojov energie dnes obsahuje nejakú formu sľubu LDES, čo je do veľkej miery spôsobené poklesom cien technológií, ako sú železo-vzdušné batérie a riešenia na ukladanie vzduchu pod tlakom. To, čo tu práve teraz sledujeme, už nie je len otázkou udržania činnosti počas krátkodobých výpadkov. Spoločnosti začínajú namáhať myšlienku plánovania niekoľko dní dopredu, dokonca aj niekoľko mesiacov dopredu, keď premýšľajú o tom, ako ich systémy na ukladanie energie zvládnu všetko od niekoľkodňových horúčav až po sezónne kolísanie medzi dodávkou a dopytom.

Integrácia do siete a prevádzkový výkon systémov na ukladanie energie

Zapojenie systémov na ukladanie energie (ESS) do súčasných elektrických sietí nie je jednoduchá záležitosť. Existuje mnoho technických prekážok, ktoré je potreba prekonať pri snahe dosiahnuť čo najlepší výkon týchto systémov. Niektoré skutočné problémy vyplývajú z obtiažne riešiteľných napäťových špičiek, ktoré vznikajú pri rýchlom nabíjaní a vybíjaní batérií. A potom tu máme celý problém dvojsemernej prevádzky elektrickej energie v zmiešaných systémoch obnoviteľných zdrojov. Podľa štúdie publikovanej minulý rok v časopise Journal of Power Sources sa dvaja hlavné problémy vynímajú pre každého, kto chce inštalovať veľké batériové balaky do staršej sieťovej infraštruktúry. Prvým je udržiavanie stability frekvencie, čo je zložitá úloha pri stále sa prepínajúcich batériách. Druhým je riadenie tepelného zaťaženia pri týchto rozsiahlych inštaláciách, čo sa postupne stáva ťažšie so zväčšovaním batériových polí.

Technické výzvy pri integrácii systémov ukladania energie do siete

Staré návrhy sietí majú skutočné problémy so udržaním kroku s rýchlosťou, akou môžu batérie typu lithium-ion a systémy prietokových batérií reagovať. Dosiahnutie týchto extrémne rýchlych časov reakcie v spojení so štandardnými zariadeniami na reguláciu napätia zvyčajne vyžaduje rozsiahle práce na transformátoroch. Podľa niektorých polníckych správ každá štvrtá prenosová spoločnosť v Severnej Amerike stretáva s problémami, keď sa pokúša modernizovať staré rozvodne pre účely systémov skladovania energie, pretože inverzné zariadenia nekomunikujú správne. To poukazuje na dôvod, prečo urgentne potrebujeme lepšie štandardné pravidlá pre pripájanie týchto nových technológií do elektrickej siete.

Inteligentné meniče a pokročilé riadiace systémy umožňujúce bezproblémovú integráciu obnoviteľných zdrojov

Inteligentné invertory novej generácie pomáhajú udržiavať elektrickú sieť stabilnú, pretože umožňujú systémom na ukladanie energie upraviť svoju jalovú energiu v prípade náhleho nárastu výroby zo slnečnej energie alebo poklesu dostupnosti vetra. Keď tieto zariadenia pracujú spolu so systémami riadenia umelou inteligenciou, ktoré predpovedajú nadchádzajúce zmeny, testy ukázali približne 18-percentný pokles plytvania obnoviteľnou energiou vo stredozápadných štátoch minulý rok. Vezmite ako dobrý príklad kalifornský systém CAISO. Implementovali niekoľko skutočne účinných metód s využitím meraní v reálnom čase na riadenie koordinácie medzi batériami a solárnymi panelmi s celkovým výkonom 3,2 gigawattov. To pomáha udržať všetko v chode hladko, aj napriek tomu, že množstvo elektriny z obnoviteľných zdrojov sa neustále mení a zároveň sa počas dňa menia aj spotrebné návyky ľudí.

Štúdia prípadu: Nasadenie batérií veľkej kapacity v Kalifornii podporujúcich prebytok solárnej energie

V máji 2024, keď solárna energia dosiahla rekordné úrovne, kalifornská sada batérií s 4-hodinovou výdržou z lítia a fosforečnanu železnatého vstrebala okolo 1,7 gigawatthodiny nadbytočnej elektriny vyrobeného v priebehu dňa. To je dosť na zásobovanie približne 125 tisíc domácností. Energia, ktorá sa takto uložila, pokryla takmer 89 percent veľkého nárastu dopytu po elektrine v večerných hodinách. Tento príklad ukazuje, že ak sú systémy na ukladanie energie (ESS) umiestnené tam, kde sú skutočne potrebné, môžu z nadbytočnej energie, ktorá by inak išla stratená, urobiť niečo užitočné a spoľahlivé. Tým sa zníži množstvo stratených energií a zároveň sa zníži závislosť od drahých elektrární na zemný plyn, ktoré sa zapínajú v špičkách. Týmto spôsobom získajú oveľa viac aj peňaženka, ako aj životné prostredie.

Ekonomické a environmentálne výhody skladovania energie v sieti

Znižovanie obmedzení výroby integráciou ukladania energie so zdrojmi obnoviteľnej energie

Ukladanie energie znižuje plytvanie obnoviteľnými zdrojmi tým, že v čase nízkej poptávky zachytáva prebytočnú produkciu zo solárnych a veterných zdrojov. V roku 2023 Kalifornia znížila obmedzovanie výroby o 34 % cieľovým nasadením batérií. Využívanie tejto uloženej energie počas špičkových hodín maximalizuje využitie obnoviteľných zdrojov a znižuje závislosť od elektrární spaľujúcich fosílne palivá, čím sa zvyšuje udržateľnosť a hospodárnosť elektrickej siete.

Zlepšovanie celkových nákladov na uskladnenie energie (LCOS) podporuje prijímanie zelenej energie

Zlepšenia v batériovej technológii spolu s väčšími výrobnými sériami znížili úrovňové náklady na uskladnenie (LCOS) pre systémy s lithium-iontovými článkami približne o 52 % od roku 2018. Elektroenergetické spoločnosti dnes čoraz viac využívajú riešenia na uskladnenie energie nielen na udržiavanie stability siete, ale aj na zabezpečenie spoľahlivého dodávania elektriny v prípade potreby, často za náklady, ktoré dokonca môžu byť nižšie ako tie, ktoré ponúkajú plynové elektrárne. Nedávna správa MIT z roku 2023 naznačuje, že sa situácia ešte ďalej zlepší, a predpovedá, že LCOS pre štvorhodinové systémy by mohlo do konca tohto desaťročia klesnúť pod 50 dolárov za megawatthodinu. Takýto pokrok určite urýchľuje náš posun smerom k čistejším energetickým sieťam, ktoré dokážu čeliť akýmkoľvek výzvam.

Vplyv na životné prostredie: Ako podporujú ciele dekarbonizácie systémy na uskladnenie energie

Skladovanie energie v sieti pomáha integrovať viac obnoviteľných zdrojov do našich energetických systémov, čím každoročne zníži emisie oxidu uhličitého približne o 12 až 18 miliónov ton len v Spojených štátoch. Táto technológia znižuje závislosť od plynných turbín s vysokým obsahom metánu v prípade zaťaženia elektrickej siete. Ak spojíme túto možnosť skladovania s hybridnými zariadeniami na obnoviteľnú energiu, môžeme dosiahnuť skutočný pokrok smerom k ambicióznemu zníženiu emisií z výroby elektriny o 72 %, ktoré odporúčajú mnohé klimatické modely v rámci Parížskej dohody. Preto tieto riešenia skladovania predstavujú základné komponenty každého vážneho úsilia o zníženie skleníkových plynov na celosvetovej úrovni pri zachovaní spoľahlivého dodávania energie.

Často kladené otázky

Aká je úloha systémov skladovania energie pri spoľahlivosti siete?

Systémy skladovania energie pôsobia ako tlmiče, ktoré rýchlo reagujú na pokles napätia alebo poruchy zariadení, aby stabilizovali sieť a zabezpečili nepretržité napájanie kritických služieb.

Ako sa systémy na ukladanie energie integrujú s obnoviteľnými zdrojmi energie?

Systémy na ukladanie energie zachytávajú prebytočnú energiu vyrobenú z obnoviteľných zdrojov, čím zmierňujú kolísania a zabezpečujú stabilný dodávok elektrickej energie aj v prípade poklesu výroby z obnoviteľných zdrojov.

Aké druhy služieb poskytujú riešenia na ukladanie energie v elektrickej sieti?

Tieto riešenia ponúkajú vyrovnávanie špičiek odberu uvoľňovaním energie počas období vysokého dopytu a vyrovnávanie zaťaženia presmerovaním prebytočnej energie z oblastí s nadbytkom do oblastí s nedostatkom.

Aké sú ekonomické výhody riešení na ukladanie energie?

Riešenia na ukladanie energie znížia normalizované náklady na uskladnenie (LCOS), znížia závislosť od elektrární spaľujúcich fosílne palivá a obmedzia plytvanie obnoviteľnou energiou, čo vedie k hospodárnejším a udržateľnejším elektrickým sieťam.