ПРИМЕНЕНИЕ ДВУХУРОВНЕВОЙ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Царёв Денис Владимирович

магистрант, Алматинский университет энергетики и связи им. Г. Даукеева,

Казахстан, г. Алматы

Бегалы Бекжан Бегалыулы

магистрант, Алматинский университет энергетики и связи им. Г. Даукеева,

Казахстан, г. Алматы

Казанина Ирина Владимировна

доц., Алматинский университет энергетики и связи им. Г. Даукеева,

Казахстан, г. Алматы

APPLICATION OF A TWO-LEVEL ENERGY STORAGE SYSTEM FOR RENEWABLE ENERGY FACILITIES

Denis Tsarev

Master's student, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications,

Kazakhstan, Almaty

Bekzhan Begaly

Master's student, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications,

Kazakhstan, Almaty

Irina Kazanina

Associate Professor, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрен вопрос накопления энергии объектами ВИЭ, в частности ветровой электростанцией в двух режимах. Режим накопления энергии может иметь свои недостатки по сравнению с другими, например, ограничения мощности, динамический отклик, более высокие цены или более короткий срок службы. Кроме того, изменение скорости потока ветра охватывает широкий диапазон изменения выходной мощности, что требует накопления энергии для обеспечения устойчивости энергосистемы в разных временных диапазонах.

В данной статье обсуждается комбинированный режим накопления энергии для удовлетворения краткосрочных и долгосрочных потребностей энергосистемы в хранении энергии для ветроэнергетики. Кратковременное накопление энергии предназначено для удовлетворения быстро меняющейся мощности, используя суперконденсаторы.

Долгосрочное хранение энергии предназначена для удовлетворения крупномасштабных требований к емкости с использованием литий-железо-фосфатных батарей или водородного аккумулирования энергии.

ABSTRACT

This article discusses the issue of energy storage by renewable energy facilities, in particular by a wind power plant in two modes. The energy storage mode may have its drawbacks compared to others, for example, power limitations, dynamic response, higher prices or shorter service life. In addition, the change in wind flow velocity covers a wide range of changes in output power, which requires energy storage to ensure the stability of the power system in different time ranges.

This article discusses the combined mode of energy storage to meet the short-term and long-term energy storage needs of the energy system for wind power. Short-term energy storage is designed to meet rapidly changing power, using, for example, supercapacitors.

Long-term energy storage is designed to meet large-scale capacity requirements using lithium-iron-phosphate batteries or hydrogen energy storage.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, система накопления энергии, водород, литий-железо-фосфатные аккумуляторы.

Keywords: renewable energy sources, energy storage system, hydrogen, lithium-iron-phosphate batteries.

ВВЕДЕНИЕ

Согласно Концепции развития электроэнергетической отрасли Республики Казахстан до 2035 года при необходимом резерве не менее 2 500 МВт, доступный резерв маневренной мощности в ЕЭС РК составляет порядка 500 МВт.

На электростанциях наблюдается увеличение количества аварийных отключений котельного и генерирующего оборудования. С начала 2021 года количество аварийных остановов увеличилось на 17,2 %, а их продолжительность на 10,5 %. При этом за первое полугодие 2022 года данный показатель увеличился на 18,6%, а продолжительность на 12,6%.

Кроме того, согласно поручению Главы государства о достижении углеродной нейтральности к 2060 году, предусмотрены конкретные целевые индикаторы по достижению 15 % доли ВИЭ к 2030 году, 50 % к 2050 году с учетом альтернативных источников энергии.

Для достижения цели 2030 года потребуется ввод порядка 7 ГВт новых мощностей ВИЭ. Внедрение столь большого объема ВИЭ приведет к увеличению потребностей энергосистемы в балансирующей маневренной мощности как в кратковременный промежуток времени, так и на долгосрочный период. На фоне этого энергия ветра зарекомендовала себя как чистый и возобновляемый источник. К сожалению, в отличие от других возобновляемых источников, скорость потока ветра колеблется в течение времени суток и времени года.

Есть два аспекта, которые следует учитывать при проектировании системы накопления энергии. Первый из них заключается в том, что колебания мощности ветра присутствуют на разных частотах, что требует от системы накопления энергии обеспечения энергетической поддержки в разных временных диапазонах. Некоторые средства накопления энергии способны обеспечивать поддержку большой энергетической емкости, такие как литий-ионный/литий-железо-фосфатные аккумуляторы и системы вод, в то время как другие, возможно, лучше обеспечивают кратковременную поддержку питания, такие как суперконденсаторы. Колебания мощности разделяются на кратковременную составляющую и среднесрочную составляющую с помощью фильтра нижних частот в [1]. Кроме того, для планирования мощности двухуровневой системы накопления энергии используется основанный на знаниях подход. В [2] разработана комбинированная система хранения энергии из маховика и VRB для выработки электроэнергии на ветроэлектростанциях.

Второй аспект заключается в том, что определение емкости хранилища важно для того, чтобы максимально снизить общую стоимость системы хранения энергии (ESS). В [3] метод, основанный на анализе мощности, используется для определения мощности и энергоемкости системы накопления энергии.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве объекта исследования был выбран типичный профиль скорости ветра за 24 часа в качестве иллюстрации применения методологии.

В этой статье двухуровневая система накопления энергии разработана для решения этих двух задач. Суперконденсатор предназначен для удовлетворения краткосрочных потребностей в энергии, а литий-ионный аккумулятор или водородная система накопления энергии - для удовлетворения среднесрочных потребностей. Методика, приведенная в [3], используется для определения емкости суперконденсатора и энергетического конденсатора литий-ионной батареи соответственно. Мощности обоих средств приведены на основе анализа выходной мощности ветра.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В таблице 1 приводится краткое описание некоторых важнейших свойств каждой технологии.

• Кратковременное накопление энергии

Как показано в таблице 1, срок службы конденсаторов практически неограничен, и их плотность мощности выше, чем у батарей, в то время как их плотность энергии, как правило, ниже. Он наиболее подходит для кратковременного накопления энергии, обеспечивая поддержание высокой мощности.

• Среднесрочное накопление энергии

Для среднесрочного и долгосрочного применения возможны как Li-ion,  LiFePO4 аккумуляторы и водородная система накопления энергии. Литий-ионный аккумулятор обладает высокой плотностью энергии и низкой скоростью саморазряда, а также относительно надежной технологией, связанной с аккумуляторами, несмотря на высокую цену.

Чрезвычайно большие возможности LiFePO4 делают их хорошо подходящими для использования в крупных системах хранения энергии, таких как ветровая или солнечная энергия.

Водородная система накопления энергии совместно с парогазовой установкой позволяет покрывать долгосрочные потребности энергосистемы в маневренной мощности.

Таблица 1.

Сравнение систем накопления энергии

В качестве модели была применена система на рисунке 1. Хранилище энергии расположено на ветроэлектростанции и подключено к электросети через устройства электронного преобразования энергии.

Рисунок 1. Модель ВЭУ с системой накопления энергии

Выходная мощность ВЭУ в течение дня показана на рисунке 2. Выходная мощность системы P_G принимается постоянной. Разница между мощностью ветрового потока P_W и выдаваемой мощности ВЭУ является мощностью заряда СНЭ.

Рисунок 2. Профиль мощности ветрового потока ВЭУ

При P_W > P_G СНЭ отводит избыточную энергию на заряд. При P_W < P_G СНЭ подводит электроэнергию в сеть, разряжаясь.

Мощность суперконденсатора определяется максимальной разностью между P_W и P_G.

Таким образом энергия, запасенная в СНЭ составляет:

, где  – начальная энергия СНЭ, кВтч;

Таким образом получим кривую изменения энергии заряда-разряда системы накопления энергии при постоянной выдачи в сеть (рисунок 3).

Рисунок 3. Кривая заряда-разряда СНЭ

Таблица 2.

Результаты работы СНЭ

В таблице 2 представлены значения выходной мощности ВЭУ и мощность заряда-разряда СНЭ в течение дня.

Учитывая длительное время работы, подаваемая в сеть мощность поддерживает баланс с генерируемой энергией ветра. Но в течение одного дня баланс может быть нарушен, так как СНЭ может уже быть заряжена и уже не позволяет аккумулировать дополнительное количество энергии.

В данном примере был рассмотрен случай применения СНЭ с требованием выдачи постоянной мощности в течение дня. Однако СНЭ позволяет использовать технологию LiFePO4 аккумуляторов и водородную систему накопления энергии для осуществления маневренной генерации в энергосистеме по требованию Системного оператора.

В этом случае объект ВИЭ способен выдать маневренную мощность в пределе ±20% от установленной мощности станции с учетом технологических потерь, что является необходимым требованием для вновь вводимой регулировочной электрической мощности в соответствии с [4].

Для оценки эффективности применения систем накопления энергии применим методику оценки ESOI описанной в работе [5].

ESOI это показатель того, сколько возможно получить выгоды в обмен на каждую единицу энергии, вложенную в создание системы хранения энергии: ESOI служит сравнением чистого энергетического баланса различных технологий хранения и обеспечивает основу для определения того, дает ли строительство новых хранилищ или сокращение избыточного производства выгоду или нет.

В настоящем исследовании мы используем анализ чистой энергии для сравнения регенеративных водородных элементов с другими технологиями хранения энергии на основе затрат на энергию в течение жизненного цикла.

Таким образом для нашей системы с установленной мощностью 5 МВт устанавливаем совокупное время работы электролизера на уровне 8 часов в день.

Совокупная продолжительность равна сроку службы электролизера (100 000 часов). При 8 часах работы системы это составляет 34 года. Система обладает достаточным запасом сжатого водорода для хранения всей избыточной энергии, вырабатываемой в течение трех дней (т.е. за три дня – 24 часа), что составляет 84 МВтч.

Для того чтобы система обеспечивала непрерывное питание в течение пяти часов (подходящая продолжительность для выравнивания нагрузки возобновляемых источников энергии) номинальная мощность топливных элементов должна соответствовать 2,6 МВт в этом случае срок службы топливного элемента составит 64 000 часов по 8 часов в день.

Таким образом коэффициент ESOI для установки 5 МВт и водородной системой накопления энергии составит 59, данный показатель выше чем у литий-ионных аккумуляторных батарей (35), но существенно ниже чем у ГАЭС (830).

ВЫВОДЫ:

Хранение энергии в водороде является технически осуществимым вариантом для хранения в масштабах сети, и уже проводятся пилотные демонстрации. Из-за низкой эффективности работы в оба конца на него можно не обращать внимания, несмотря на его потенциальные преимущества, такие как высокая плотность энергии и низкая скорость саморазряда. Чтобы изучить потенциальные преимущества и недостатки водорода как сетевой технологии хранения энергии, мы применим анализ чистой энергии к представительной гипотетической системе регенеративных водородных топливных элементов (RFC).

Коэффициент ESOI выше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Это указывает на то, что система хранения водорода более эффективно использует производственные энергозатраты для обеспечения накопления энергии. Одна из причин этого заключается в том, что сталь, используемая для изготовления баллона для хранения сжатого водорода, менее затратна с энергетической точки зрения на единицу запасенной энергии, чем материалы, которые накапливают электрический заряд в батарее (электродная паста, электролит и сепаратор). Однако литий-ионные аккумуляторы остаются энергетически предпочтительнее с точки зрения эксплуатации системы, а также ее изготовления, благодаря их более высокой эффективности работы в оба конца (90%). Это отражается на общей энергоэффективности двух технологий хранения: общая энергоэффективность типичной системы литий-ионных аккумуляторов составляет 0,83 по сравнению с 0,30 для системы RHFC в эталонном случае.

Это подчеркивает, что, несмотря на относительно эффективное использование производственных энергозатрат, эффективность системы RHFC в обоих направлениях должно увеличиться, прежде чем оно сможет обеспечить такую же общую энергетическую отдачу, как и другие технологии хранения. Более высокая эффективность работы RHFC в оба конца зависит от улучшенных характеристик электролизера и топливных элементов. При накоплении избыточной выработки энергии от ветряных турбин накопление энергии в водороде обеспечивает отдачу энергии, аналогичную отдаче от батарей, несмотря на его более низкую эффективность в обратном направлении.

Список литературы:

1. Электронный ресурс: https://qazaqgreen.com/journal-qazaqgreen/green-finance/242/
2. Черемухин М.В., Шиповский А.В. Оценка повышения эффективности работы солнечных электростанций за счет применения систем ориентации солнечных батарей
3. Петрусев А.С. Повышение эффективности солнечных батарей с помощью одноосного трекера и акрилового концентратора. Современные техника и технологии: сборник трудов XX международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Т. 1. Томск, Изд-во ТПУ, 2014, с. 37–38.
4. Mertens, K. (2015): Photovoltaik. Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis. München: Carl Hanser Verlag
5. Johannes Scharf, Michael Grieb, Maendy Fritz. Agri-Photovoltaik – Stand und offene Fragen