Riešenie premenlivosti obnoviteľných zdrojov pomocou ukladania energie do siete

Základná výzva: Prispôsobiť premenlivý výkon veterných a slnečných elektrární stálemu dopytu

Problém s veternou a slnečnou energiou spočíva v tom, že veľmi závisia od počastných podmienok a dĺžky svetla počas dňa, čo vedie k rôznym nezrovnalostiam v dodávke. Medzitým ľudia naďalej spotrebujú elektrinu v predvídateľných časoch počas dňa, a preto vždy existuje tlak na stabilný výkon elektrickej energie. Keď je k dispozícii príliš veľa obnoviteľnej energie, ale nedostatok dopytu, prevádzkovatelia elektrickej siete nemajú inú možnosť, ako vypnúť niektoré z týchto zdrojov, čím efektívne vyhodia čistú energiu, ktorá by inak mohla byť využitá. Na druhej strane, vždy keď sa dopyt prudko zvýši, ale obnoviteľné zdroje nedokážu vyrobiť dostatok energie, musíme sa opäť obrátiť na staré uhlie a plynové elektrárne, aby sme zabezpečili hladký chod systému – čo samozrejme prispieva k zvyšovaniu úrovne znečistenia. Podľa nedávneho výskumu Medzinárodnej agentúry pre energiu sa problémy začínajú rýchlo hromadiť, ak obnoviteľné zdroje tvoria viac ako 30 % celkovej energetickej produkcie v danej oblasti, pokiaľ neexistujú vhodné spôsoby ukladania alebo riadenia tejto premennosti. Takéto nesúlad medzi ponukou a dopytom spôsobuje dodatočné zaťaženie našich elektrických sietí a nakoniec spomaľuje úsilie o zníženie emisií oxidu uhličitého vo všetkých oblastiach.

Ako sieťové úložiská energie prekonávajú časové medzery – nabíjajú sa v prípade prebytku a vybájajú sa v prípade potreby

Ukladanie energie do sietí rieši problém nespojitej výroby elektrickej energie tým, že elektrinu šikovne presúva. Keď cez deň svieti príliš silné slnko alebo v noci fúka silný vietor, tieto systémy absorbujú nadbytočnú energiu a uvoľnia ju v čase, keď ľudia potrebujú elektrinu najviac. Vezmime si ako príklad slnečnú výrobu v poledňajších hodinách. Nadbytok sa ukladá do batérií, ktoré sa potom aktivujú počas večerných špičkových hodín, keď si všetci zapínajú osvetlenie a spotrebiče. Tým sa v podstate nahradia staré elektrárne spaľujúce plyn, ktoré sa spúšťajú len vtedy, keď sa náhle zvýši dopyt. To, čo tento prístup robí tak cenným, je jeho schopnosť premeniť nepredvídateľné obnoviteľné zdroje energie na spoľahlivé a podľa potreby ovládateľné zdroje, pričom zároveň pomáha udržiavať stabilitu siete prostredníctvom funkcií ako regulácia frekvencie. Väčšina súčasných systémov sa pre každodenné potreby opiera o čerpadlové vodné elektrárne spolu s litium-ionovými batériami. Pre dlhodobé ukladanie energie cez celé ročné obdobia sa ukazuje ako sľubná technológia zelenej vodíkovej energie. Aký je dopad? Štúdie naznačujú, že správne implementované systémy ukladania energie môžu zvýšiť podiel skutočne využívanej obnoviteľnej energie v oblastiach, kde čistá energia tvorí dominantnú časť energetického mixu, niekedy až o približne 40 %, a to bez toho, aby sa celý systém stal nestabilný.

Kľúčové technológie pre skladovanie energie v elektrickej sieti a ich úlohy

Vodná čerpadlová elektráreň: Uznaná základná technológia pre dlhodobé skladovanie energie v elektrickej sieti

Čerpadlové vodné úložiská, alebo PHS, ako sa im bežne hovorí, stále dominujú v oblasti riešení na ukladanie energie do siete a tvoria približne 90 % celkovej inštalovanej kapacity na celom svete. Základná myšlienka je v skutočnosti dosť priamočiara – voda sa čerpá do vyššie položených nádrží v čase nízkeho elektrického zaťaženia alebo keď je k dispozícii prebytok obnoviteľnej energie. Neskôr, keď sa zaťaženie zvýši, táto uložená voda preteká späť cez turbíny a znova vyrába elektrickú energiu. Tento prístup je tak atraktívny predovšetkým vďaka svojej škálovateľnosti a schopnosti ukladať energiu po dobu od šiestich do dvadsať hodín alebo viac. Taký druh flexibility sa veľmi dobre hodí na vyrovnávanie kolísaní výroby elektrickej energie zo slnečných a veterných elektrární počas dňa aj týždňa. Účinnosť sa tiež výrazne zlepšila – moderné systémy dosahujú kruhovú účinnosť v rozmedzí 70 % až 85 %. Niektoré inštalácie dokonca dosahujú kapacitu v rozmedzí niekoľkých gigawatthodín. Hoci geografické obmedzenia predstavujú výzvu pre široké nasadenie tejto technológie, kreatívne prístupy, ako napríklad premenu starých baní alebo opätovné využitie existujúcich priehrad bez výrobnej kapacity, otvárajú nové možnosti na rozšírenie tejto overenej technológie.

Systémy na ukladanie energie v batériách (BESS) a zelený vodík: umožňujú krátkodobú flexibilitu a sezónne presuny

Systémy na ukladanie energie v batériách (BESS) a zelený vodík riešia doplnkové potreby v mierke elektrickej siete:

• Bess (predovšetkým litium-iontové) poskytujú odpoveď v čase kratšom ako sekunda pre reguláciu frekvencie a vyrovnávanie výstupu zo slnečných elektrární, s dĺžkou vybíjania 4–8 hodín. Ich modularita umožňuje nasadenie v rozvodniach alebo spoločné umiestnenie so zdrojmi obnoviteľnej energie.
• Zelený vodík zelený vodík, vyrobený elektrolýzou pomocou prebytočnej obnoviteľnej energie, umožňuje dlhodobé ukladanie – týždne alebo mesiace – v soľných jaskyniach alebo nádržiach. Slúži ako uhlíkovo neutrálny palivový materiál pre turbíny alebo palivové články počas sezónnych poklesov výkonu veterných a slnečných elektrární.

Spoločne umožňujú komplexnú integráciu – BESS riadia kolísania v rozsahu od sekúnd po hodiny, zatiaľ čo zelený vodík rieši medzery spôsobené počasím a sezónnymi vplyvmi.

Ukladanie energie do siete ako viacfunkčný sieťový aktív

Poskytovanie služieb v reálnom čase: regulácia frekvencie, emulácia zotrvačnosti a podpora napätia

Systémy na ukladanie energie zohrávajú kľúčovú úlohu pri udržiavaní stability siete spôsobom, ktorý staršia infraštruktúra jednoducho nedokáže poskytnúť. V prípade náhleho poklesu frekvencie sa tieto systémy zapínajú takmer okamžite – buď vrátia elektrickú energiu do siete, alebo počas výpadkov absorbuje nadbytok elektriny, kým sa situácia nevyštiepi mimo kontrolu. Moderné meniče sa tiež stali pomerne inteligentnými a napodobňujú zotrvačnosť, ktorá v minulosti vychádzala z rotujúcich generátorov na uhliových a plynových elektrárňach, ktoré postupne zmiznú z našej energetickej zmesi. Ukladacie systémy tiež prispievajú k riadeniu napätia v celej sieti. Upravujú jalový výkon v kľúčových bodoch siete a udržiavajú napätie v prijateľných rozmedziach aj v prípade náhlych nárastov zaťaženia alebo poruchy zariadenia. Toto je obzvlášť dôležité v sieťach s vysokým podielom veterných a slnečných zdrojov, pretože tieto čisté zdroje neposkytujú rovnaký druh automatickej stability, na ktorú sme v minulosti spoľahli pri elektrárňach spaľujúcich fosílne palivá.

Umožňovanie účasti na trhu: arbitráž, zabezpečenie kapacity a pomocné služby

Ukladanie energie do siete dnes robí omnoho viac než len technické veci. V skutočnosti otvára celý rad rôznych spôsobov, ako zarobiť peniaze. Keď ceny elektriny klesnú pod približne 20 USD za megawatthodinu, chytrí prevádzkovatelia ukladajú energiu a neskôr ju predávajú späť, keď sa ceny prudko zvýšia nad 100 USD. Niektoré spoločnosti uzatvárajú zmluvy nazývané dohody o zabezpečení výkonu, ktoré v podstate zaručujú stabilný výstup energie pre veterné farmy a slnečné elektrárne. Tieto dohody umožňujú systémom na ukladanie energie fungovať ako záloha v prípadoch, keď nesvieti slnko alebo nefúka vietor, čím pomáhajú splniť náročné ciele dodávky 99 percent, ktoré väčšina obnoviteľných zdrojov energie ťažko dosahuje. Peniaze sa dajú zarobiť aj na trhoch tzv. pomocných služieb. Ukladacie zariadenia môžu zarobiť každý deň od približne 50 do možno 150 USD za megawatt len tým, že pomáhajú udržiavať stabilitu siete prostredníctvom vecí ako regulácia frekvencie. Všetky tieto rôzne príjmové príležitosti znamenajú, že ukladanie energie už nie je len ďalšou výdajovou položkou. Namiesto toho sa stáva hodnotným aktívom, ktoré v skutočnosti zlepšuje ekonomickú efektívnosť celého energetického systému.

Skutočný dopad v praxi: Prípadové dôkazy úspechu úložísk energie do siete

Rezerva elektrickej energie Hornsdale: Zabezpečenie stability a úspor na juhoaustrálskej sieti s vysokým podielom obnoviteľných zdrojov

Hornsdale Power Reserve sa vyznačuje ako prvá veľkorysá inštalácia batérií s litium-ionovou technológiou na svete, ktorá ukazuje, čo skutočne dokáže sieťové ukladanie energie v miestach, ktoré sa vo veľkej miere spoliehajú na obnoviteľné zdroje energie. Tento systém sa nachádza priamo v srdci sieti elektrickej energie poháňanej vetrom v Južnej Austrálii, kde zelená energia často tvorí viac ako polovicu celkovej vyrobenej energie, a reaguje takmer okamžite na vyrovnanie kolísania medzi ponukou a dopytom. Čas reakcie je kratší než 100 milisekúnd, čo znamená, že zabráni potenciálnym výpadkom napájania pri náhlom nesúlade medzi množstvom vyrobenej a spotrebovanej energie. Keď do siete prúdi nadbytok energie z veterných elektrární, zariadenie túto nadbytočnú energiu uloží a následne ju uvoľní späť do siete počas špičkových hodín v neskorom popoludní. Samotná táto funkcia v prvých niekoľkých rokoch od uvedenia do prevádzky ušetrila približne 116 miliónov dolárov na nákladoch na energiu. Počas prísnych búrok alebo vln tepla rezerva poskytuje núdzovú energetickú podporu, čím celú sieť urobí oveľa odolnejšou voči poruchám. To, čo sa udialo v Austrálii, inšpirovalo projekty napodobňujúce tento model na rôznych kontinentoch, vrátane Kalifornie a Nemecka. Tieto inštalácie dokazujú, že aj v prípade veľkého podielu slnečnej a vetrovej energie v našich elektrických sietach je možné zachovať stabilnú dodávku energie súčasne so znížením nákladov a znížením environmentálneho dopadu.

Často kladené otázky

Čo je obnoviteľná nespojitosť?

Obnoviteľná nespojitosť sa vzťahuje na kolísanie výkonu z obnoviteľných zdrojov energie, ako sú vietor a slnečné žiarenie, spôsobené faktormi, ako sú poveternostné podmienky a denná doba, čo môže viesť k nekonzistentnosti v dodávke energie.

Ako pomáha úložisko energie v sieti pri riadení premenlivosti obnoviteľnej energie?

Úložisko energie v sieti pomáha pri riadení premenlivosti obnoviteľnej energie tým, že ukladá prebytočnú energiu v časoch vysokého výrobného výkonu a uvoľňuje ju v časoch, keď dopyt presahuje ponuku, čím sa zabezpečuje stabilnejšia energetická sieť.

Aké sú hlavné typy technológií úložiska energie v sieti uvedené v článku?

V článku sa spomínajú technológie, ako je čerpadlová vodná elektráreň (PHS), batériové systémy úložiska energie (BESS) a zelený vodík ako kľúčové riešenia pre uspokojenie potrieb úložiska energie v sieti.

Ako prispieva Hornsdale Power Reserve k stabilitě siete?

Hornsdale Power Reserve prispieva k stabilitě siete tým, že rýchlo reaguje na kolísanie dodávok a dopytu, ukladá prebytočnú obnoviteľnú energiu a poskytuje núdzovú energetickú podporu v kritických časoch.