Przegląd technologii magazynowania energii elektrycznej - Studio-4P

Przegląd technologii magazynowania energii elektrycznej - Studio-4P

Przegląd technologii magazynowania
energii elektrycznej
Mariusz Kłos
Magazyn energii elektrycznej - definicja
Zasobniki
energii
elektrycznej
są
instalacjami
elektroenergetycznymi o dwukierunkowym przepływie
energii, w skład których wchodzi kilka modułów – urządzeń,
współpracujących ze sobą, w tym technologie umożliwiające
na drodze przemian energetycznych magazynowanie energii
elektrycznej.
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
2
Magazyn energii elektrycznej technologie
Technologie umożliwiające magazynowanie energii elektrycznej
Z wykorzystaniem przemian elektrochemicznych
Baterie klasyczne
Z wykorzystaniem przemian mechanicznych
Baterie przepływowe
Kinetyczne zasobniki energii
Pneumatyczne zasobniki energii -
(Flywheels)
klasyczne
(CAES - Diabatic)
Kwasowo-ołowiowe
(Lead-Acid)
Litowo-jonowe
(Li-Ion)
Wanadowe
Cynkowo-Bromowe
Elektrownie
(Vanadium Red-Ox)
(Zn-Br)
(Pumped-Hydro)
szczytowo-pompowe
Pneumatyczne zasobniki energii adiabatyczne
(CAES - Adia-batic)
Litowo-polimerowe
Litowo-Siarkowe
(Li-Polymer)
(Li-S)
Metalowo-powietrzne
Sodowo jonowe
Kondensatory
Cewki
(Metal-Air)
(Na-Ion)
(Supercapacitors - EDLC)
(SMES)
Sodowo-niklowo-chlorkowe
Sodowo-siarkowe
Z wykorzystaniem przemian chemicznych
(Na-NiCl2)
(Na-S)
Niklowo-kadmowe
Niklowo-metalowo-
Wodorowe
(Ni-Cd)
wodorkowe
syntetycznego paliwa gazowego
(Ni-MH)
(Hydrogen to Synthetic Natural Gas - Methanation)
Z wykorzystaniem przemian elektrycznych
-
możliwość
późniejszej
metanizacji
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
celem
produkcji
3
Baterie przepływowe
Zakres mocy– pojedyncze MW,
Energia (pojemność) – pojedyncze MWh,
Czas rozładowania - pojedyncze godziny,
Czas eksploatacji - 12000 cykli (10-20 lat),
Czas odpowiedzi - milisekundy
Sprawność - < 75%
Gęstość energii i mocy – ok. 25 Wh/litr
Koszty jednostkowe –400 €/kWh; 500-1300 €/kW
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
4
Baterie kwasowo-ołowiowe
Zakres mocy– pojedyncze MW,
Energia (pojemność) – < 10 MWh,
Czas rozładowania - < 20 godziny,
Czas eksploatacji - 500 - 3000 cykli (15 lat),
Czas odpowiedzi - milisekundy
Sprawność - 75 - 85%
Gęstość energii i mocy – ok. 35 Wh/kg
Koszty jednostkowe – 200 €/kWh; 100 - 500 €/kW
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
5
Baterie litowo-jonowe
Zakres mocy– 10 - 50 MW,
Energia (pojemność) – < 10 MWh,
Czas rozładowania - < 4 godziny,
Czas eksploatacji - <10000 cykli (20 lat),
Czas odpowiedzi - milisekundy
Sprawność - < 98%
Gęstość energii i mocy – 120-180 Wh/kg
Koszty jednostkowe – 1300 €/kWh; 1000 €/kW
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
6
Baterie sodowo-siarkowe (300-350⁰C)
Zakres mocy– < 50 MW,
Energia (pojemność) – < 350 MWh,
Czas rozładowania - < 7 godziny,
Czas eksploatacji - <5000 cykli (15 lat),
Czas odpowiedzi - milisekundy (ze stanu nagrzanego)
Sprawność - < 85%
Gęstość energii i mocy – 120 Wh/kg
Koszty jednostkowe – 400-600 €/kWh; 3000-4000 €/kW
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
7
Baterie niklowo kadmowe
Zakres mocy– 50 MW,
Energia (pojemność) – < 10 MWh,
Czas rozładowania - pojedyncze godziny,
Czas eksploatacji - < 5000 cykli (20 lat),
Czas odpowiedzi - milisekundy
Sprawność - < 70%
Gęstość energii i mocy – 70 Wh/kg
Koszty jednostkowe – 400-700 €/kWh; 1500 €/kW
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
8
Przykładowe aplikacje z wykorzystaniem
technologii bateryjnych
Nazwa, lokalizacja
Technologia
Moc, MW
Energia, MWh
akumulatory kwasowo-ołowiowe
10
40
Southern California Edison, Chino,
Konfiguracja baterii
82562600 Ah, 8 równoległych
Kalifornia, USA
łańcuchów po 1032 ogniwa
Golden Valley Electric Association
akumulatory niklowo-kadmowe
40
6,5
akumulatory kwasowo-ołowiowe VRLA
1
1,4
13760 ogniw, 4 łańcuchy po 3440 ogniw
(GVEA), Fairbanks, Alaska, USA
Metlakatla Power and Light (MP&L),
1134 ogniwa, 100 modułów A75 w
Alaska, USA
Pacificorp Castle Valley, Utah, USA
łańcuchu
baterie wanadowe
0,250
2
5 modułów po 50 kW
akumulatory sodowo-siarkowe
1
7,2
20 modułów po 50 kW
akumulatory sodowo-siarkowe
1,2
6,5
20 modułów po 60 kW
akumulatory kwasowo-ołowiowe
2
0,055
2000 ogniw, 8 modułów po 250 kW
akumulatory kwasowo-ołowiowe
20
14
AEP Sodium Sulfur Distributed Energy
Storage System at Chemical Station,
Charleston, West Virginia, USA
Long Island, New York Bus Terminal
Energy Storage System, NY, USA
Brockway Standard Lithography Plant,
Homerville, Georgia, USA
Puerto Rico Electric Power Authority
60001600 Ah, 6 równ. łańcuchów po
(PREPA) Battery System, Sabana Llana,
1000 ogniw
Puerto Rico
Futamata, Prefektura Aomori, Japonia
akumulatory sodowo-siarkowe
34
238
17stringów x 2 MW
baterie wanadowe
3
0,8
60 modułów po 50 kW
akumulatory kwasowo-ołowiowe
17 (8,5)*
14
Sumitomo Densetsu Office, Osaka,
Japonia
Berliner Kraft- und Light (BEWAG),
70801000 Ah, 12 łańcuchów po 590
Berlin, Niemcy
ogniw
200 kół zamachowych pracujących
PJM Interconnection, USA
Zasobnik kinetyczny
20
0,1
równolegle
Wisconsin Public Service Co., USA
SMES
* - 8,5 MW w trybie 60 regulacji częstotliwości, 17 MW – w
trybie rezerwyEnergii
Magazyny
0,8
-
w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
-
9
Elektrownie wodne pompowe
Zakres mocy– <3 GW,
Energia (pojemność) – 100 GWh,
Czas rozładowania - dziesiątki godzin,
Czas eksploatacji - nieograniczony (>80 lat)
Czas odpowiedzi - minuty
Sprawność - 85%
Koszty jednostkowe –150 €/kWh; 1500 €/kW
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
10
CAES – adiabatyczny (gospodarka
ciepłem w układzie)
Zakres mocy– 100 MW,
Energia (pojemność) – 0,1-10 GWh,
Czas rozładowania - dziesiątki godziny,
Czas eksploatacji - >30 lat
Czas odpowiedzi - minuty
Sprawność - > 70%
Koszty jednostkowe –1200 – 2000 €/kW
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
11
CAES – klasyczny
Zakres mocy– >100 MW,
Energia (pojemność) – 0,1-10 GWh,
Czas rozładowania - dziesiątki godziny,
Czas eksploatacji - >30 lat
Czas odpowiedzi - minuty
Sprawność – 50-70%
Koszty jednostkowe –150€/kWh; 1200 €/kW
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
12
Technologia wykorzystująca ciekłe
powietrze (gospodarka ciepłem w
układzie)
Zakres mocy– 650 MW,
Energia (pojemność) – 0,1-8 GWh,
Czas rozładowania - 24 godziny,
Czas eksploatacji - >30000 cykli (40 lat)
Czas odpowiedzi - > 5 minut
Sprawność – >90%
Gęstość energii - <230 kWh/m3
Koszty jednostkowe –600€/kWh; 3500 €/kW
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
13
Kondensatory dwuwarstwowe EDLC
(Electrochemical Double Layer Capacitor)
Zastosowanie do budowy elektrod nanorurek węglowych umożliwiło
znaczne
zwiększenie
ich
powierzchni
czynnej
i osiągnięcie bardzo dużych pojemności, przekraczających 1000 F.
Zakres mocy– pojedyncze MW,
Energia (pojemność) – pojedyncze kWh,
Czas rozładowania - pojedyncze min,
Czas eksploatacji - 1000000 cykli,
Czas odpowiedzi - 5 ms
Sprawność - < 90%
Gęstość energii i mocy – ok. 7 Wh/kg; ok. 8 kW/kg
Koszty jednostkowe –500€/kW
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
14
Technologie wodorowe
Magazynowanie energii odbywa się przy wykorzystaniu procesu
elektrolizy wody do produkcji i późniejszego przechowywania
wodoru w postaci gazowej lub płynnej (-253⁰C).
Zakres mocy– do 1 GW,
Energia (pojemność) – pojedyncze GWh,
Czas rozładowania - tygodnie,
Czas eksploatacji - 5-30 lat,
Czas odpowiedzi - min
Sprawność - < 40%
Gestość energii – ok. 2500 kWh/m3
Koszty jednostkowe – 10€/kWh; ok 5000€/kW
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
15
Magazyn energii elektrycznej – moc
zainstalowana na świecie
• Elektrownie wodne pompowe – 140 000 MW,
• Pneumatyczne zasobniki energii (elektrownie CAES) –
440 MW,
• Akumulatory (baterie) sodowo-siarkowe – 304 MW,
• Akumulatory kwasowo-ołowiowe – 70 MW,
• Akumulatory niklowo-kadmowe – 27 MW,
• Kinetyczne zasobniki energii - 25 MW,
• Akumulatory (baterie) litowo-jonowe – 100 MW,
• Baterie przepływowe - 10 MW.
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
16
Magazyn energii elektrycznej – cel stosowania
w systemie elektroenergetycznym
Usprawnienie pracy systemu elektroenergetycznego.
Główne obszary zastosowań można zestawić w cztery
niezależne grupy:
• Wsparcie dla odnawialnych źródeł energii,
• Wsparcie dla odbiorcy końcowego,
• Wsparcie dla podsektora wytwórczego,
• Wsparcie dla podsektora związanego z przesyłem
i dystrybucją energii elektrycznej.
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
17
Podsumowanie
• Z technicznego punktu widzenia zastosowanie
magazynów energii elektrycznej zawsze prowadzi do
usprawnienia funkcjonowania systemu
elektroenergetycznego.
• Dokładne przypisanie obszarów aplikacyjnych do
poszczególnych technologii umożliwi osiągnięcie
celów ekonomicznych.
• Efektywność ekonomiczna jest tu jedynym
kryterium stosowalności tych technologii.
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
18
Źródła
• Paska J., Kłos M.: Techniczne i ekonomiczne aspekty
magazynowania energii dla poprawy efektywności wykorzystania
OZE na przykładzie elektrowni wiatrowych. Mat. Konf. „Aktualne
problemy w elektroenergetyce - APE 2009”. Jurata, czerwiec 2009.
• Paska J., Kłos M., Michalski Ł., Rosłaniec Ł.: Możliwości budowy w
warunkach polskich magazynów energii przyłączonych do sieci
elektrycznych o pojemności powyżej 50 MWh i czasie
przechowywania powyżej 5 godzin. Praca dla PSE Operator SA.
Instytut Elektroenergetyki PW. Warszawa, grudzień 2010.
• Energy Storage Technology Roadmap - Technology Annex.
International Energy Agency. March 2014.
• European Association for Storage of Energy.
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
19
Dziękuję za uwagę
[email protected]
Magazyny Energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym PSE S.A.,
Konstancin Jeziorna 03.10.2016
20