Технологии за съхранение на енергия в електрическата мрежа

Тимъти Патей, ABB Швейцария, Изследователски център 14 май 2013 г. Технологии за съхранение на енергия в електропреносната мрежа 15 май 2013 г. Слайд 1

Следващите 30 минути преглед на приложенията защо съхранение на енергия? Технологии как можете да съхранявате енергия? Батерии за помпа за съхранение Адиабатно съхранение на сгъстен въздух Управление на енергията при крайния потребител Заключения 15 май 2013 г. Слайд 2

Предизвикателства на съвременните електрически мрежи Какво може да допринесе технологията? Драйвер/тенденция Проблеми, които трябва да бъдат решени Технологии Дистанционно поколение Децентрализирано производство Нестабилност на производството Транспорт на енергия; Капацитет на мрежата; Двупосочна разпределителна мрежа Съхранение на енергия Предаване на постоянен ток с високо напрежение (HVDC); > 2 GW трансфер; ФАКТИ; Контрол и защита на разпределителните мрежи Електрически: Помпа за съхранение, батерии; Термоелектрическа памет; Електронни автомобили (?) Нестабилност на производството Нарастващо търсене на енергия Гъвкаво управление на натоварването Енергийна ефективност Интелигентна мрежа (активно търсене); По-гъвкава ефективност на производствената мрежа; Индустриална енергийна ефективност; GW Giga Watt, FACTS гъвкава система за пренос на променлив ток

Приложения на системи за съхранение на енергия () Централно производство Съхранение на големи количества енергия Балансиране на натоварването От производствена страна 100 MW, 4 часа подстанция/резервна поддържаща мрежа в случай на повреда на линията 10-100 MW, 0,25-1 h 220 kv Високоволтово натоварване на линията 20 kv 220 kv Разпределено производство Интегриране на възобновяеми енергии 1-100 MW, 10h балансиране на натоварването За забавяне на линейни инвестиции 1-10 MW, 6h тежка промишленост 20 kv 110 kv 110 kv 20 kv регулиране на честотата на пръстена на мрежата 1-50 MW, 0,25-1h ограничение на пиковото натоварване 0,5-10 MW, 1h управление на енергията при крайния потребител 15 май 2013 г. Слайд 4

Технологии за съхранение на енергия Механична термодинамична електрохимична електромагнитна гравитационна помпа Съхранение Кинетичен маховик Топлина Термоелектрическо налягане сгъстен въздух (CAES) Батерии Оловнокиселинни Ni-Cd NaS Литиево-метални въздушни потоци Ванадий ZnBr Водород Електролизатор и горивна клетка Мощност Магнитна мощност Superca Магнитна мощност Superca Магнет Маг. 15, 2013 Slide 5 Adiabatic CAES

Приложения на системи за съхранение на енергия Централно производство Съхранение на големи количества енергия Балансиране на натоварването От производствената страна 100 MW, 4h подстанция/резервна поддръжка на захранваща мрежа В случай на повреда на линията 10-100 MW, 0,25-1 h 220 kv Високоволтово натоварване на линията 20 kv 220 kv Разпределено производство Интеграция на възобновяеми енергии 1-100 MW, 10h Балансиране на натоварването За забавяне на линейни инвестиции 1-10 MW, 6h тежка промишленост 20 kv 110 kv 110 kv 20 kv регулиране на честотата на пръстена на мрежата 1-50 MW, 0,25-1h ограничение на върховото натоварване 0,5-10 MW, 1h управление на енергията при краен потребител 15 май 2013 г. Slide 6

Съхранение на енергия в електропреносната мрежа (2012) Помпа за съхранение 127 000 MW Над 99% от общия капацитет за съхранение Съхранение на сгъстен въздух, 440 MW натриево-серни батерии, 316 MW литиево-йонни батерии, 88 MW оловно-киселинни батерии, 50 MW маховици, 25 MW редокс поточни батерии, 5 MW 15 май 2013 Slide 7 Източник: Институт Фраунхофер, EPRI, Pr. Nat. Sci. 19 (Chen et.al), ФИГ

Съхранение на помпата: Доминираща технология Съхранение на гравитационна енергия Утвърдена и ефективна технология Най-често прилагане (2012 г.): Управление на натоварването от страна на производството В конкуренция с газови електроцентрали Долен резервоар Горен резервоар Електромеханични машини 1060 MW, 8 h PHS Goldisthal (D) Свойства на съхранението на помпата Ефективност 80% Продължителност на подаването Изходни капиталови разходи (система 500 MW) Най-големи часове в неравностойно положение (до дни) 10 MW до 1 GW 1500-2000 $/kw (разширение 650-850 $/kw) Географски ограничено 15 май 2013 г. Слайд 8

Приложения на системи за съхранение на енергия Централно производство Съхранение на големи количества енергия Балансиране на натоварването От производствената страна 100 MW, 4h подстанция/резервна поддръжка на захранваща мрежа В случай на повреда на линията 10-100 MW, 0,25-1 h 220 kv Високоволтово натоварване на линията 20 kv 220 kv Разпределено производство Интеграция на възобновяеми енергии 1-100 MW, 10h Балансиране на натоварването За забавяне на линейни инвестиции 1-10 MW, 6 часа тежка промишленост 20 kv 110 kv 110 kv 20 kv регулиране на честотата на пръстена на мрежата 1-50 MW, 0,25-1h ограничение на върховото натоварване 0,5-10 MW, 1h управление на енергията при крайния потребител 15 май 2013 г. Слайд 9

Батерии за разпределено съхранение на енергия Съхранение под формата на химическа енергия, много различни видове батерии Висока енергия и плътност на мощността Бърза реакция и превключваща способност (между зареждане и разреждане) Тенденция: решения за контейнери Типични свойства за съхранение на батерии Ефективност> 80% Продължителност на подаване Изход Капиталови разходи (500 MW инсталация) Най-голям недостатък 1-10 часа 1-50 MW 2500 $/kw Линейно мащабиране (без икономия на размер) 34 MW, 245 MWh натриево-сярна (NaS) инсталация за 51 MW вятърна централа (Япония) 15 май 2013 г. Слайд 10

Топология на системите за съхранение на батерии (B) Battery + - U Converter DC AC U PCS Transformer AC grid U AC 15 май 2013 Slide 11

Интеграция на възобновяеми енергийни източници: Осигуряване на капацитета Futamata 51 MW вятърна турбина с 34 MW натриево-серни батерии, свързани към мрежата от 2008 г., Japan Wind Development Co.

Бъдеща алтернатива за интеграция на възобновяеми енергийни източници: Адиабатна система за съхранение на сгъстен въздух Едновременно съхранение на налягане (сгъстен въздух) и топлина Предимство: Без изгаряне на природен газ (за разлика от предишни системи за съхранение на сгъстен въздух) Екологична адиабатна система за съхранение на сгъстен въздух - свойства Цел на ефективността: 70% продължителност на подаването (500 MW система) Най-големите дни в неравностойно положение 50-500 MW цел: 1500 $/kw Географски обвързан проект ADELE: 90 MW, 4-часов демонстратор в Страсфурт (D) с RWE, GE, Züblin и DLR Източник: www.rwe.com, май 15, 2013 Слайд 13

Приложения на системи за съхранение на енергия Централно производство Съхранение на големи количества енергия Балансиране на натоварването От производствената страна 100 MW, 4h подстанция/резервна поддръжка на захранваща мрежа В случай на повреда на линията 10-100 MW, 0,25-1 h 220 kv Високоволтово натоварване на линията 20 kv 220 kv Разпределено производство Балансиране на натоварването За забавяне на линейните инвестиции 1-10 MW, 6h тежка индустрия 20 kv 110 kv 110 kv 20 kv мрежово регулиране на честотата на пръстена 1-50 MW, 0,25-1h ограничение на пиковото натоварване 0,5-10 MW, 1h управление на енергията при краен потребител 15 май 2013 г. Слайд 14

Регулиране на честотата Балансът между потреблението и производството на електроенергия винаги трябва да бъде гарантиран. Това се постига чрез резервна мощност, която може да се използва за реакция на промени в честотата на мрежата. 15 май 2013 г. Слайд 15

Система за съхранение на енергия от литиево-йонна батерия Литиево-йонна батерия за регулиране на честотата (и други приложения) Подстанция Лос Андес в Чили, размер: 12 MW/4 MWh, ефективност от AC до AC 80% Доставчик: A123, строителство: 2009 г. 15 май 2013 г. Слайд 16

Система за съхранение на енергия от литиево-йонна батерия 1 MW (15 минути) пилотен проект, мрежов оператор: EKZ, Швейцария, Sonntags-Zeitung, 18 март 2012 г. 15 май 2013 г. Слайд 17

Приложения на системи за съхранение на енергия Централно производство Съхранение на големи количества енергия Балансиране на натоварването От производствената страна 100 MW, 4h подстанция/резервна поддръжка на захранваща мрежа В случай на повреда на линията 10-100 MW, 0,25-1 h 220 kv Високоволтово натоварване на линията 20 kv 220 kv Разпределено производство Интеграция на възобновяеми енергии 1-100 MW, 10h Балансиране на натоварването За забавяне на линейните инвестиции 1-10 MW, 6 часа тежка промишленост 20 kv 110 kv 110 kv 20 kv регулиране на честотата на пръстена на мрежата 1-50 MW, 0,25-1h ограничение на върховото натоварване 0,5-10 MW, 1h управление на енергията при краен потребител 15 май 2013 г. Slide 18

Самопотребление с концепция за фотоволтаична система и батерия 1. По време на „извън пика“ излишното електричество се съхранява в батериите. à Батерията се зарежда. 2. По време на пика, електричеството се доставя от батерията и PV системата. à Батерията се разрежда. 15 май 2013 г. Слайд 19 Самопотребление с батерийна система (източник: Prosol, 2013 г.)

Бизнес казусът за Германия Оперативни приходи и разходи Оперативен доход Цена на електроенергията (2012 г.) = 25,9 ct/kwh. 1 тарифа за подаване = 18,2 ct/kwh. 2 Икономия на разходи = 7,7 ct/kWh. Разходи за kwh = 800 EUR/kWh. Капацитет на батерията = 5 kwh (приблизително 3 kwh/ден, включително стареене на батерията). Общи разходи = 4000 EUR Средно потребление на електроенергия на домакинство и година = 4000 kWh/година. 3 Допълнителна собствена консумация = 1 000 kWh/годишно (

2,7 kWh/ден). à период на изплащане => 50 години годишен оперативен доход = 7,7 ct/kwh * 1000 kwh = 77 EUR/година. Източници: 1 BDEW, 2012 г., 2 Закон за възобновяемите енергии (EEG), предложение 23 февруари 2013 г. (1h) оловна киселина (средно време за разреждане) натрий-сяра (продължително време за разреждане, 5-8 h) Бъдещите системи за съхранение на енергия трябва да включват термодинамични технологии (адиабатни) системи за съхранение на сгъстен въздух май 15, 2013 Слайд 23

Печеливша ли е домашна батерия? Увеличение на самопотреблението със съхранение на енергия пределната мощност/рентабилност ограничава цената на електроенергията спрямо Тарифа за подаване Разлика в цената (лимит на рентабилност) Разходи на батерията за граница на рентабилност от 0,10 EUR/kWh/цикъл: Забележка: Ефективността на системата и отстъпката не се вземат предвид 15 май 2013 г. Слайд 25

Технологии за съхранение 10 h Натриево-сярна сгъстен въздух (CAES) Време на работа [мин] 1 h Ванадиеви окислително-редукционни батерии Оловно-киселинни батерии Термоелектрическо съхранение (TEES) Помпа за съхранение Li-ion 10 мин. Маховици 100 kw 1 MW 10 MW 100 MW 1000 MW пикова мощност [MW]

Ni-Cd система за акумулиране на енергия 100 MW предавателна линия Ni-Cd батерии Healy конвертор 140 MW предавателна линия Fairbanks B Спецификация: 40 MW за 7 минути (4.7 MWh) 27 MW за 15 минути (6.75 MWh) AC до AC ефективност 75% живот на батерията: 20 години, свързани към линията 138 kv Приложения: Резервирайте мощност в случай на повреда на преносната линия. Компенсиране на въртящата се резервна мощност Golden Valley Electric Association, САЩ, в експлоатация от 2004 г.

Натриево-сярна (NaS) акумулаторна система Tokyo Electric Power Company Подстанция Цунашима 6 MW/48 MWh 15 май 2013 г. Slide 28 AC до AC ефективност 75% строителство 1997-1998

Цикъл и календар на експлоатационен живот (A-) CAES, ETES изпомпвано съхранение Цикълът и експлоатационният живот на календара имат голямо влияние върху приемането от клиентите и разходите за съхранена електроенергия 15 май 2013 г. Слайд 29

Заключения Има различни приложения, всяко с конкретен икономически двигател. Най-важните от тях са: Управление на натоварването от страна на производството Интегриране на възобновяеми енергии Сред технологиите за съхранение, помпеното съхранение често е най-икономичното решение (ако няма геоложки или други ограничения) Ако няма възможност за помпено съхранение, батерийните системи често са най-добрата алтернатива в днешно време. Трите най-важни технологии са: литиеви йони (кратко време на разреждане,> 1 час) оловна киселина (средно време на разреждане) натрий-сяра (дълго време на разреждане, 5-8 часа) Бъдещите решения за съхранение на енергия ще включват термодинамични технологии като (адиабатно) съхранение на сгъстен въздух или електротермично съхранение на енергия . 15 май 2013 г. Слайд 30