Современные системы накопления энергии в энергетике и на транспорте

Юрий Степанович Почанин (2024)

В книге описаны современные системы накопления энергии и их роль в повышении эффективности гибридных электростанций, в новых возможностях электрического транспорта, в снижении экологической нагрузки промышленных предприятий на окружающую среду. Описаны принципы действия основных элементов следующих накопительных систем энергии: электрохимических, электромагнитных, криогенных, гравитационных, кинетических и алюмоводородных. Описаны водородные топливные элементы и их использование в энергетике. Даны характеристика и практическое применение тяговых аккумуляторов для электрического транспорта.

Глава 2. Архитектура систем накопителей электрической энергии

. Согласно ГОСТ Р 58092.2.1-2020 “Системы накопления электрической энергии (СНЭЭ). Параметры установок и методы испытаний. Общее описание” содержит следующую архитектуру, рис. 2.1, а структура СНЭЭ с одной точкой подключения напряжения к сети (ТПН), рис.2.2, с двумя ТПН, рис.2.3.

Рис.2.1. Архитектура СНЭЭ

Рис. 2.2 Структура СНЭЭ с одним типом ТПН

Накопитель электрической энергии (НЭЭ) согласно ГОСТ Р 58092.1-2018 «Системы накопления электрической энергии (СНЭЭ). Термины и определения», представляет собой установку с определенными границами, подключенная к электрической сети, включающая как минимум один накопитель электрической энергии, которая извлекает электрическую энергию из электроэнергетической системы, хранит эту энергию внутри себя в какой-либо форме и отдает электрическую энергию обратно в электроэнергетическую систему и которая включает в себя инженерные сооружения, оборудование преобразования энергии и связанное с ними вспомогательное оборудование.

Обычно СНЭЭ включает в себя несколько НЭЭ (аккумуляторов или др.) и множество иных элементов

Рис.2.3. Структура СНЭЭ с двумя типами ТПН

Размещение подсистем СНЭЭ может быть выполнено следующим образом, рис.2.4.

Рис.2.4. Пример размещения подсистем СНЭЭ

К основным функциям СНЭЭ можно отнести:

1.Выдача или потребление активной мощности. Используя эту функцию, можно найти направления применения СНЭЭ, а именно: выравнивание графика нагрузки, регулирование частоты, интеграция ВИЭ, бесперебойное питание и др.

2. Выдача или потребление реактивной мощности. При управлении реактивной мощностью энергия носителей не используется, задействуется лишь преобразователь и конденсатор в его составе.

3. Компенсации не симметрии.

4. Компенсация не синусоидальности.

Возможные места установки СНЭЭ в энергосистеме представлены на рис. 2.5

Рис. 2.5. Возможные места установки СНЭЭ в энергосистеме

Классификация направлений применения СНЭЭ по соотношению энергоемкости к мощности СНЭЭ представлена на рис.2.6, а по типу энергосистемы — на рис. 2.7.

Рис.2.6. Классификация направлений применения СНЭЭ

Рис. 2.7. Классификация по типу энергосистемы

СНЭЭ обеспечивает эффективность работы ВИЭ в энергосистеме:

1.Выравнивание неравномерности генерацию

2. Баланс электроэнергии и мощности.

3. Устойчивость параллельной работы.

4. Качество электроэнергии.

5.Оптимальное распределение загрузки.

6. Резервирование и повышение надежности.

Основные эксплуатационные показатели, которыми описываются накопители энергии вообще:

1.Удельная энергетическая емкость.

2. Время, затрачиваемое на накопление и рассеивание в нагрузке.

3. Объем (габариты) и масса накопителя.

4. Сроки его хранения и безопасность эксплуатации.

5. Возможность вторичного использования энергоносителя, представленного в той или иной форме.

Первый из приведенных показателей измеряется в специальных единицах (для электрической и электрохимической разновидности это будут кВт в час/кг или плотность накопления энергии).

Большое внимание уделяется безопасности хранения и использования накопленного энергоносителя. Особую важность этот вопрос приобретает при обращении с кислотными электролитами, вращающимися маховиками (кинетические накопители) и с охлажденным воздухом.

Основными критериями устройств накопления энергии, необходимыми для конкретного применения являются:

–количество энергии с точки зрения удельной энергии и плотности энергии;

–электрическая мощность, т.е. требуемая электрическая нагрузка;

–объем и масса;

–надежность;

–долговечность;

–безопасность;

–стоимость;

–возможность вторичной переработки;

–воздействие на окружающую среду.

При выборе устройств накопления энергии следует учитывать следующие характеристики:

–удельная мощность;

–емкость накопителя;

–удельная энергия;

–время отклика;

–эффективность;

–скорость саморазряда / циклы зарядки;

–чувствительность к теплу;

–срок службы заряда-разряда;

–воздействие на окружающую среду;

–капитальные / эксплуатационные расходы;

–обслуживание.

Электрические устройства хранения энергии являются неотъемлемой частью телекоммуникационных устройств (сотовые телефоны, дистанционная связь, рации и т. д.), резервных систем питания и гибридных электромобилей в виде компонентов хранения (батарей, суперконденсаторов и топливных элементов).

Устройства для хранения энергии, электрические или тепловые, признаны основными технологиями экологически чистой энергии.

2.1. Преимущества систем накопления энергии

Системы накопления энергии могут использовать, чтобы поддержать стабильность ее поставок, снизить затраты и обеспечить устойчивость энергетической системы в целом.

––Еще одно преимущество систем накопления энергии — их быстрое реагирование. Большинство технологий хранения могут компенсировать нехватку мощности электроэнергии в сети очень быстро, в то время как источники на основе ископаемого топлива имеют тенденцию довольно медленно увеличивать добавочную мощность. Такая скорость важна для обеспечения стабильного энергоснабжения в случаях, когда происходит неожиданное резкое увеличение нагрузки.

Резервное питание. Системы накопления энергии могут служить надежным источником резервного питания на случай потери питания от электросети из-за тяжелых погодных условий или иных проблем. Помогая объектам оставаться в рабочем состоянии, такие системы исключают потери из-за сокращения времени простоя и обеспечивают повышенную устойчивость к критическим ситуациям. Один из примеров — источник бесперебойного питания, но возможен и больший масштаб.

Ограничение пика и сдвиг нагрузки. Функциональность систем накопления энергии типа «потребность — ответ» позволяет им участвовать в стимулирующих поставщиков коммунальных услуг программах энергопотребления, которые направлены на снижение использования энергии в периоды пиковой нагрузки на электрическую сеть.

Цена на энергию, как правило, обычно самая высокая в периоды пикового спроса. Ограничение максимума пиковых нагрузок обычно достигается путем смещения ряда нагрузок на время более низкого спроса на электроэнергию.

Именно системы накопления энергии могут поддерживать сглаживание потребления электрической мощности для снижения затрат на электроэнергию. При этом, например, аккумуляторная батарея может заряжаться в периоды низкой нагрузки — в ночное время или в периоды более низкого потребления в течение дня. с использованием альтернативных источников энергии. Затем такая батарея разряжается во время периодов высокой нагрузки или аварийного отключения, смягчая воздействие больших нагрузок и сбоев напряжения в пределах объекта или энергосистемы в целом. Такой подход наиболее экономически эффективен для коммунальных потребителей, чей тариф основан на пиковом спросе энергопотребления.

Сдвиг нагрузки (также называемый «управлением тарифами») подобен пиковому сокращению потребляемой мощности, но вместо того, чтобы фокусироваться исключительно на пиковых ценах, он направлен на снижение общих затрат на кВт·ч. По сути, он использует разницу между низкой и высокой стоимостью энергии, сохраняя энергию при низких затратах и отдавая при высоких. Сдвиг нагрузки обычно обеспечивает дополнительную ценность для системы, которая уже предоставляет другие преимущества, такие как ограничение пика (максимума) нагрузки.

Качество электрической энергии. Системы накопления энергии обладают возможностью частотного регулирования. Это позволяет конкретному объекту поддерживать работу энергосистемы в целом и решать одну из ее основных задач, а именно обеспечивать постоянную частоту генерируемого напряжения переменного тока. Как известно, электрическая система все время находится в динамическом состоянии и постоянно балансирует между предложением (генерацией) и спросом (потреблением). Способность отдельной системы накопления энергии поглощать или высвобождать энергию, а также быстро компенсировать пики потребления представляет собой потенциальную услугу балансирования, приносящую доход. Система накопления энергии может повысить коэффициент мощности объекта, одновременно обеспечивая улучшение качества электроэнергии и экономию на ежемесячных счетах за коммунальные услуги.