Elektros tinklas: didžiausia žmonijos sukurta mašina
Elektros tinklas yra didžiausia žmonijos sukurta mašina. Jis veikia pagal tiekimo modelį, kuris bando subalansuoti pasiūlą ir paklausą, kad išlaikytų stabilumą. Kai elektros tiekimas tampa nepakankamas, krenta dažnis ir/arba įtampa, o tiekimas gali būti nutrauktas.Tai yra kritinės situacijos, kurių elektros tinklas stengiasi išvengti.
Elektros tinklą sudaro daugybė komponentų, įskaitant:
Elektros generatorius, veikiančius hidro, šilumos, branduolinės, dujų, naftos, anglių, saulės, vėjo, potvynių ir kitomis energijos rūšimis.
Įtampos didinimo transformatorius, kurie padidina elektros įtampą iki perdavimo tinklų lygio.
Ilgas perdavimo linijas.
Įtampos mažinimo transformatorius (pastotes), kurie sumažina įtampą iki vietinio perdavimo tinklo lygio.
Gatvės transformatorius, tiekiant vartotojams reikalingą įtampą (240V, 110V, 400V trifazį).
Tačiau tradiciškai elektros tinklas neturi energijos saugojimo galimybės, kuri leistų subalansuoti staigius paklausos šuolius. Tai reiškia, kad tinkle, kuriame nėra baterinių energijos kaupimo sistemų (BESS), bet koks perteklius turi būti sunaudotas iš karto. Generatoriai turi būti palaikomi veikimo būsenoje („sukimosi rezervo“ režime), kad būtų galima greitai įjungti papildomą tiekimą, kai paklausa viršija esamą pasiūlą. Gerai valdomame tinkle sukimosi rezervas gali siekti 15–30% visos galios.
Kas yra BESS?
Baterinės energijos kaupimo sistemos (BESS) tampa esminėmis priemonėmis stabilizuojant elektros tinklą, integruojant atsinaujinančius energijos šaltinius ir efektyviai kaupiant bei naudojant elektros energiją. BESS veikia kaupdamos elektros energiją įkraunamose baterijose ir ją išskirdamos, kai to reikia. Svarbiausia, kad šios baterijų sistemos gali greitai įsilieti į tinklą – kai tik paklausa arba dažnio/įtampos nestabilumas tai signalizuoja.
BESS principas ir veikimas
Pagrindinis BESS tikslas – palaikyti „už skaitiklio“ (už vartotojo ribos) sistemų veikimą bei integruoti BESS į tinklo valdymo sistemas. Šios sistemos tinka tiek atsinaujinančios energetikos integracijai vietoje, tiek elektros tiekimo stabilumui užtikrinti regionuose, kur tinklas yra nepatikimas.
Šios saugojimo sistemos reikalauja investicijų, tačiau jų pranašumai yra dideli. Vienas pagrindinių privalumų – itin greitas reagavimas. Baterijos gali įjungti tinklui sinchronizuotą kintamąją srovę (AC) per vos kelis elektros tinklo ciklus (50–60 Hz). Kadangi greito reagavimo elektros energijos tiekimas yra brangiausias, sukauptos energijos komercinė vertė gali būti 10–100 kartų didesnė nei įprastos elektros kainos.
Kaip veikia BESS?
Energijos kaupimas prasideda nuo įkrovimo sistemos, kuri pertekline tinklo AC arba saulės energijos DC srove įkrauna baterijas. Priklausomai nuo nustatymų, įkrovimas gali būti greitas arba lėtas.
Dauguma BESS naudoja ličio baterijų technologijas, kuriose energija kaupiama elektrocheminiu pavidalu, o išskiriama kaip nuolatinė srovė (DC). Kadangi tinklas veikia su kintamąja srove (AC), būtini keitikliai, kurie konvertuoja DC į AC ir užtikrina sinchronizaciją su tinklo dažniu.
BESS sistema susideda iš:
Galios elektronikos – energijos srauto valdymui, įtampos keitimui ir sinchronizavimui su tinklu.
Šilumos valdymo sistemos – optimizuoti baterijų veikimą ir ilgaamžiškumą.
Saugumo mechanizmų – apsaugai nuo perkaitimo, per didelio įkrovimo ir kitų sisteminių gedimų.
Įkraunant baterijas, energijos konversijos efektyvumas siekia apie 80–85%, tai reiškia, kad iš 100 kWh tinklo perteklinės energijos baterijose bus saugoma tik 80–85 kWh, o likusi dalis išsiskirs kaip šiluma.
BESS tipai
BESS gali būti skirtingų tipų, priklausomai nuo naudojamų baterijų technologijų:
Ličio baterijos – populiariausios dėl didelio energijos tankio, ilgo tarnavimo laiko ir mažų priežiūros sąnaudų. Įvairios ličio baterijų versijos: LiCoO2, NCA, NMC, LiFePO4, LTO, kietojo kūno baterijos.
Srautinės baterijos – energija kaupiama skystuose elektrolituose, o sistema gali būti lengvai plečiama. Idealiai tinka ilgalaikiam energijos saugojimui.
Švino-rūgštinės baterijos – seniausia ir pigiausia energijos kaupimo technologija, naudojama avariniams UPS maitinimo šaltiniams ir nedidelėms nutolusioms sistemoms.
Natrio-sieros baterijos – veikia aukštoje temperatūroje ir pasižymi didele energijos talpa. Naudojamos tinklo stabilizavimui ir atsinaujinančios energetikos integracijai.
Superkondensatoriai – kaupia energiją elektrostatiniu būdu ir yra labai efektyvūs greito įkrovimo/iškrovimo ciklams, tačiau turi mažesnį energijos tankį nei baterijos.
Ličio baterijų veikimas
Ličio baterijos veikia per elektrocheminius procesus, kai ličio jonai juda tarp anodo (neigiamo elektrodo) ir katodo (teigiamo elektrodo).
Katodas dažniausiai sudarytas iš ličio junginių (LiCoO2, NCA, NMC, LiFePO4, LTO).
Anodas dažniausiai yra grafitas arba grafenas.
Elektrolitas – jonų laidininkas, užtikrinantis ličio jonų judėjimą tarp elektrodų. Gali būti skystas, gelinis ar kietasis.
Separatorius – porėta membrana, kuri leidžia ličio jonams judėti, bet neleidžia elektrodams tiesiogiai susiliesti ir sukelti trumpąjį jungimą.
Įkraunant ličio bateriją, ličio jonai juda iš katodo į anodą ir ten kaupiasi. Iškraunant – juda atgal į katodą, išskirdami elektros energiją.
Ličio baterijos skiriasi savo įtampa ir talpa, kuri priklauso nuo elektrodų medžiagos ir elektrolito tipo. Tipinė įtampa siekia 3.6–3.7 V vienai celių.
Akumuliatorių energijos kaupimo sistema (BESS) paprastai sudaryta iš šių komponentų:
Ličio jonų baterijos gaminamos trijų pagrindinių formų:
Standžios cilindrinės
Standžios prizminės (kvadratinio arba stačiakampio skerspjūvio)
Lankstūs maišelio tipo elementai
Pagrindinės žaliavos, naudojamos šių baterijų gamyboje:
Joniniai ličio druskos – leidžia krūviui judėti ląstelės viduje
Organiniai tirpikliai – veikia kaip krūvio nešėjai, leidžiantys srovei tekėti tarp elektrodų. Priklausomai nuo baterijos technologijos, jie gali būti skysti, geliniai arba kieti
Kobaltas – naudojamas katoduose stabilumui užtikrinti
Nikelis, manganas ir aliuminis katoduose – padeda sumažinti kobalto naudojimą
Grafitas – dažniausiai naudojamas anodų struktūroje, tačiau vystoma technologija link silicio, siekiant didesnės talpos ir patvarumo
Rišikliai (dažniausiai polivinilidenfluoridas (PVDF), polivinilo alkoholis (PVA), karboksimetilceliuliozė (CMC) arba stireno-butadieno guma (SBR)) – sujungia ir sutvirtina elektrodų medžiagas
Porėti separatoriai iš PE ir PP – izoliuoja elektrodus ir leidžia jonams judėti
Korpuso medžiagos – plienas, aliuminis arba polimeriniai vamzdeliai (cilindrinėms ir prizminėms ląstelėms), taip pat termiškai užsandarinamos polimerinės plėvelės (maišelio tipo ląstelėms). Kai kuriais atvejais, kai būtina terminė izoliacija, gali būti naudojami keramikiniai korpusai, o aerokosminėse taikymuose – lengvos anglies pluošto kompozitinės medžiagos.
Funkcionuojanti BESS konteinerinė sistema arba įrenginys taip pat apima:
BESS valdiklį PCS – atsakingą už energijos paskirstymą, įkrovimo valdymą, operacinę priežiūrą ir saugumo kontrolę
Konstrukcinius rėmus ir gaubtus – naudojamus baterijų modulių laikymui
Baterijų valdymo sistemas – stebi ir kontroliuoja baterijų veikimą, užtikrina saugumą ir efektyvumą
HVAC aušinimo sistemas – reguliuoja temperatūrą konteineryje, neleidžia perkaisti įkrovimo ar iškrovimo metu, užtikrina optimalų veikimą
Tinklo sinchronizuotus keitiklius – konvertuoja nuolatinę srovę (DC) iš baterijų į tinklo sinchronizuotą kintamąją srovę (AC)
AC–DC konverterius (lygintuvus) – keičia tinklo kintamąją srovę į nuolatinę įkrovimui tinkamą įtampą
Transformatorius – keičia įtampos lygius pagal tinklo ar vietinių sistemų reikalavimus
Aušinimo sistemas – daugumai BESS komponentų būtina temperatūros kontrolė
Gaisro gesinimo sistemas – aptinka ir gesina gaisrus, užtikrina įrenginio saugumą
BESS sistemos plačiai naudojamos įvairiose srityse:
Tinklo stabilizavimas ir dažnio reguliavimas – greitai reaguoja į staigius paklausos ar pasiūlos pokyčius tinkle, sugeria perteklinę energiją mažos paklausos metu ir išleidžia ją esant dideliam poreikiui
Atsinaujinančios energijos integracija – saugo perteklinę saulės ir vėjo energiją, išlygina gamybos svyravimus, leidžia atsinaujinančiai energijai efektyviau patekti į tinklą
Piko mažinimas ir apkrovos valdymas – kaupia energiją mažo tarifų laikotarpiu ir išleidžia ją, kai elektros kaina didelė, sumažindama tinklo apkrovą ir sumažindama išlaidas
Mikrotinklų palaikymas – užtikrina atsarginį maitinimą, apkrovos balansavimą ir tinklo stabilumą, optimizuodamas atsinaujinančių ir šiluminių energijos šaltinių naudojimą
EV įkrovimo infrastruktūros palaikymas – leidžia efektyviau valdyti elektros tinklo apkrovą ir palaikyti greitą elektromobilių įkrovimą
Pramonės ir komercinių objektų nepertraukiamas maitinimas – apsaugo nuo elektros tinklo trikdžių ir leidžia sumažinti išlaidas naudojant išmanų elektros poreikio valdymą
Namų energijos kaupimas – leidžia efektyviau naudoti už tinklo ribų sukauptą saulės energiją, sumažinant elektros sąnaudas
Nutolusios arba nuo tinklo atjungtos vietovės – tiekia patikimą elektros energiją ten, kur nėra galimybės prisijungti prie bendrosios elektros tinklų
BESS tampa vis svarbesniu elementu savarankiškose, atspariose elektros tinklų sistemose. Jos padeda integruoti atsinaujinančius energijos šaltinius, didina energijos efektyvumą, gerina įtampos ir dažnio stabilumą bei didina visos sistemos patikimumą.
Tinkamai pritaikius BESS, galima pašalinti elektros tinklų veikimo apribojimus, kurie kitaip trukdytų integruoti nepastovius (saulės, vėjo, potvynių, bangų) energijos šaltinius. Dauguma tinklų dėl besisukančių atsargų reikalavimų gali priimti tik 15–25 % nepastovios energijos. Tačiau BESS gali veikti kaip šios atsargos, be energijos švaistymo.
Šis lankstumas daro BESS nepakeičiamomis pereinant prie tvaresnės ir patikimesnės energijos ateities.