Zasobniki energii. Zastosowanie zasobników energii w systemie elektroenergetycznym

Zasobniki energii elektrycznej to zaawansowane technologicznie układy elektroenergetyczne, w skład których wchodzi kilka współpracujących ze sobą modułów – urządzeń, umożliwiające na drodze przemian energetycznych gospodarowanie energią elektryczną. Jakie są obszary wykorzystania technologii magazynowania energii w zasobnikach?

Spis treści

1. Zasobniki energii - rozwój technologii
2. Wykorzystanie zasobników energii w systemie elektroenergetycznym
3. Zasobniki energii - technologie możliwe do stosowania w KSE
4. Zasobniki energii - podsumowanie

Obecnie wydaje się, że brakującym ogniwem, potrzebnym do ukształtowania struktur systemów elektroenergetycznych opartych na niestabilnych i alternatywnych źródłach energii elektrycznej, są technologie umożliwiające efektywne jej magazynowanie. Artykuł jest wprowadzeniem do podstawowych zagadnień charakterystycznych dla tworzącej się branży, pokazuje możliwe kierunki jej rozwoju, przede wszystkim w warunkach krajowych.

Zasobniki energii - rozwój technologii

Rozwój zaawansowanych technologicznie urządzeń elektroenergetycznych z obszaru generacji rozproszonej spowodował powstanie wielu rozwiązań, do których można zaliczyć m.in.:

• mikro- i małe urządzenia wytwórcze, wykorzystujące technologie konwencjonalne, alternatywne i odnawialne (turbiny wiatrowe i panele fotowoltaiczne, przetworniki energoelektroniczne),
• urządzenia do kompensacji mocy biernej,
• układy do poprawy parametrów jakościowych energii elektrycznej,
• układy do rekuperacji energii w różnych procesach technologicznych,

Równolegle do nich rozwijały się różne technologie umożliwiające magazynowanie energii elektrycznej, będące często elementami składowymi tych urządzeń. Konieczność integracji różnych rozwiązań technologicznych przy wykorzystaniu technologii i aplikacji teleinformatycznych w zakresie zaawansowanych systemów diagnostyczno-sterujących w ujęciu lokalnym i obszarowym (pomiar, analiza danych, diagnostyka predykcyjna, prognozowanie produkcji OZE, generowanie sygnałów sterujących) przyczyniła się do stworzenia idei ewolucyjnej dla dalszego rozwoju sektora elektroenergetycznego – Smart Grid. Elementami wspólnymi, umożliwiającymi jego przebudowę techniczną i organizacyjną, sąskalowalne, elastyczne w ujęciu lokalizacyjnym, magazyny energii, zwane potocznie zasobnikami.

Oprócz stosowanych od lat elektrowni szczytowo-pompowych, w ostatnich latach nastąpił intensywny rozwój wielu nowatorskich technologii w tym obszarze, które po latach badań, wdrożeń i eksploatacji w systemach gwarantowanego napięcia są obecnie testowane w warunkach operacyjnych/rzeczywistych w postaci instalacji pilotażowych w różnych podsektorach systemów elektroenergetycznych dla usprawnienia ich głównych funkcjonalności.

Wykorzystanie zasobników energii w systemie elektroenergetycznym

Podstawowe obszary wykorzystania technologii magazynowania energii można zestawić w cztery niezależne grupy:

• usługi systemowe wspierające funkcjonowanie podsektorów wytwarzania, przesyłu i dystrybucji – poprawa stabilności systemów przesyłowych oraz dystrybucyjnych (zwiększenie stabilności napięciowej, w tym regulacja mocy czynnej i biernej oraz częstotliwości), usprawnienie procesów sterowania przesyłem energii elektrycznej w ramach krajowego sektora elektroenergetycznego, przesunięcie inwestycji sieciowych w czasie, wsparcie dla rynku bilansującego – usługi regulacyjne (sterowanie stroną popytową, czyli aktywny udział odbiorców w bilansowaniu systemu – DSR), wyrównywanie obciążenia elektrycznego systemu (poprawa współczynnika wykorzystania mocy zainstalowanej w energetyce zawodowej), rozruch elektrowni po dużej awarii systemowej;
• usługi wspierające rozwój odnawialnych źródeł energii – poprawa dyspozycyjności odnawialnych źródeł energii i parametrów jakościowych energii elektrycznej produkowanej przez OZE, wsparcie dla inwestorów uczestniczących w rynku mocy w wywiązaniu się z obowiązku mocowego, usprawnienie możliwości sterowania jednostkami wytwórczymi OZE, łatwiejsza integracja z systemem elektroenergetycznym, stabilizacja pracy pojedynczych i zgrupowanych jednostek generacyjnych bazujących na OZE (łagodzenie negatywnych zjawisk charakterystycznych dla niestabilnej generacji), kompensacja nadwyżek i niedoborów energii (gorąca rezerwa) produkowanej przez jednostki bazujące na OZE (wsparcie dla lokalnych mikrosieci/klastrów energii);

• usługi jakościowe dla odbiorcy końcowego – zwiększenie niezawodności i pewności zasilania, zapewnienie bezprzerwowego zasilania odbiornikom priorytetowym/krytycznym w czasie krótko- lub długotrwałych przerw w zasilaniu podstawowym, układy do utrzymania bądź poprawy parametrów jakościowych energii elektrycznej, usprawnienie pracy małych (kilka kW) hybrydowych systemów elektroenergetycznych (również wyspowych) z mikrogeneracją zarówno konwencjonalną, jak i alternatywną, pracujących na potrzeby pojedynczych gospodarstw domowych – instalacje prosumenckie, pokrywanie szczytowego zapotrzebowania na poziomie dystrybucji i rozdziału energii elektrycznej;
• usługi w obszarze potrzeb własnych elektromobilności (również rozwiązania typu V2G – ang. Vehicle-to-grid) – stabilizacja i poprawa elastyczności pracy sieci dystrybucyjno-rozdzielczej oraz pośrednio przesyłowej (technologia V2G umożliwia zwrot energii z baterii do sieci, przez co infrastruktura elektroenergetyczna wykorzystywana przez flotę samochodów elektrycznych może być wsparciem dla OSD w bilansowaniu lokalnych potrzeb energetycznych), usprawnienie pracy małych (kilka kW) hybrydowych systemów elektroenergetycznych (również wyspowych) z mikrogeneracją zarówno konwencjonalną, jak i alternatywną, pracujących na potrzeby pojedynczych gospodarstw domowych – instalacje prosumenckie, wyrównywanie obciążeń w KSE – wyrównywanie obciążeń bloków wytwórczych z chwilą dynamicznego rozwoju elektromobilności.

Zasobniki energii - technologie możliwe do stosowania w KSE

Zasobniki energii elektrycznej to zaawansowane technologicznie układy elektroenergetyczne, w skład których wchodzi kilka współpracujących ze sobą modułów – urządzeń, umożliwiające na drodze przemian energetycznych gospodarowanie energią elektryczną w długich lub krótkich okresach (ładowanie, rozładowanie, magazynowanie). Odpowiedni dobór i kompleksowe sterowanie wszystkich modułów umożliwia uzyskanie zakładanej funkcjonalności i definiowanie obszarów aplikacyjnych. Dostępne i rozwijane technologie różnią się między sobą poziomem dojrzałości technologicznej, czyli osiąganymi parametrami technicznymi (takimi jak: moc układu, pojemność, sprawność pełnego cyklu, powierzchnia zajmowana przez instalację (gęstość mocy i energii)), czasem realizacji inwestycji z wykorzystaniem danej technologii, osiąganym okresem eksploatacji (żywotnością technologiczną), sposobem przyłączenia do systemu elektroenergetycznego, poziomem niezawodności, możliwymi do zastosowania topologiami, kosztem jednostkowym, kosztami oddziaływania na środowisko oraz możliwością budowy instalacji przy wsparciu krajowego sektora gospodarczego. W tabeli przedstawiono obecnie dostępne technologie magazynowania energii elektrycznej, przeznaczone dla poszczególnych obszarów aplikacyjnych w KSE.

Dostępne technologie magazynowania energii elektrycznej dla poszczególnych obszarów aplikacyjnych w KSE

Dotychczasowe układy zasobników energii elektrycznej wykorzystywane w krajowych systemach elektroenergetycznych opierały się głównie na elektrowniach szczytowo-pompowych. Obecnie do budowy nowych zasobników energii elektrycznej są stosowane głównie technologie bateryjne (litowo-jonowe, litowo-tytanowe, kwasowo-ołowiowe), których rolą jest stabilizacja źródeł OZE, zapewnienie zasilania rezerwowego, poprawa jakości energii elektrycznej oraz sterowanie pracą linii elektroenergetycznych (przeciwdziałanie stanom przeciążeniowym). W Polsce do prekursorów rozwoju zasobników energii można zaliczyć spółkę skarbu państwa Energa-Operator.

Zasobniki energii - podsumowanie

Obecne trendy związane z digitalizacją kolejnych obszarów życia zmuszają do priorytowego traktowania coraz większej liczby odbiorników energii elektrycznej, zapewniających stabilność współczesnych procesów przemysłowych i komunalno-bytowych. Czekający branżę skok technologiczny będzie zapoczątkowany wprowadzaniem nowoczesnych rozwiązań, które stanowiąc elementy przyszłych systemów elektroenergetycznych, jednocześnie na pierwszym etapie transformacji umożliwią optymalizację istniejącej infrastruktury. Technologie magazynowania energii elektrycznej już stają się kluczowym elementem działań modernizacyjnych i rozwojowych w sektorze.

Ograniczenia techniczne sieci dystrybucyjnych przy rosnącej świadomości odbiorcy końcowego, co do charakteru produktu, jakim jest energia elektryczna, oraz dążącego do zmiany swojej roli w sektorze elektroenergetycznym, wymuszają rozwój sieci w kierunku rozwiązań typu Smart Grid. Generacja energii elektrycznej i jej odbiór będą miały charakter lokalny przy wykorzystaniu miejscowego potencjału elektroenergetycznego oraz istniejących i nowych sieci (jej fragmentów) dystrybucyjno-rozdzielczych dostosowanych technicznie i technologicznie do współpracy z lokalną generacją. Sektor wytwórczy i sieć przesyłowa będą stopniowo zmieniały swoje funkcjonalności w kierunku usług rezerwowania potrzeb energetycznych dla lokalnej energetyki zdecentralizowanej.

Zestawienie szczegółowych informacji o istniejących, budowanych i planowanych instalacjach zasobników energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym wraz z opisem technologii magazynowania energii oraz obowiązujących uwarunkowań formalnoprawnych, w tym proponowanych nowelizacji ustaw nakreślających ramy funkcjonowania zasobników energii w krajowym sektorze energetycznym, można znaleźć w raporcie wydanym przez Polską Izbę Magazynowania Energii (PIME) pt. „Rynek magazynowania energii elektrycznej – technologie, aplikacje i regulacje”.