ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Марьенков С.А.

ORCID: 0000-0003-0010-1250, Аспирант, Санкт-Петербургский горный университет

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Аннотация

За последние десятилетие наблюдается значительный рост доли возобновляемых источников электрической энергии (ВИЭ) в общем объеме генерирующих мощностей. Однако внедрение все большего числа ВИЭ ставит перед энергетической системой новые вызовы. Непостоянный характер генерации ВИЭ, а также постепенный переход от централизованной системы энергоснабжения к распределенной, ведут к уменьшению стабильности и надежности энергетической системы. Одним из признанных вариантов решения данной проблемы является применение систем накопления электрической энергии (НЭЭ). В статье проведен сравнительный анализ современных технологий НЭЭ и определены наиболее оптимальные варианты для применения на уровне распределенной генерации с участием ВИЭ.

Ключевые слова: возобновляемые источники электрической энергии, накопители электрической энергии, суперконденсатор.

Marenkov S.A.

ORCID: 0000-0003-0010-1250, Postgraduate student, Saint-Petersburg Mining University

APPLYING OF ELECTRICAL ENERGY STORAGE TECHNOLOGIES TO INCREASE THE RELIABILITY OF POWER SYSTEM BASED ON RENEWABLE ENERGY SOURCES

Abstract

Оver the past decade has seen a significant increase in the share of renewable energy sources (RES) in the total generating capacity. However, growing use of renewable energy sources (RES) sets a new challenges. Intermittent nature of generation RES, as well as a gradual transition from a centralized to a distributed power system, leading to a decrease in the stability and reliability of the energy system. As one of recognized solutions of this problem is to use the electrical energy storage systems. In this article analyzed comparative of modern technologies accumulation of electrical energy and determined the best options for application of distributed generation with RES.

Keywords: renewable energy sources, energy storage system, supercapacitor.

Введение.

По прогнозам мирового экспертного сообщества и ведущих исследовательских институтов России в области электроэнергетики, одним из ключевых трендов определяющих дальнейшее развитие отрасли будет постепенное увеличение доли возобновляемых источников электрической энергии (ВИЭ) в общем объеме генерирующих мощностей.

Так, согласно данным статистической службы Европейского союза «Eurostat» суммарная доля ВИЭ в общем объеме генерации 28 стран Европейского союза с 2004 по 2014 год увеличилась с 14,4 до 27,5% (см. рисунок 1). По отчетам всемирной организации Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (REN21) прирост генерации от наиболее развивающихся типов ВИЭ за 2014 года, ветро- и солнечной энергетики составил 15,9 и 29,2%, соответственно. А инвестиции в научные исследования и разработку в области ВИЭ с 2004 по 2014 год выросли более чем в 2 раза (с 5,5 до 12,7 млрд. долларов).[1]

 

Рис.1 - Доля ВИЭ от общего количества генерируемой электрической энергии в Европейском союзе

 

Однако всё увеличивающая роль ВИЭ, характеризующихся непостоянством во времени, приводит к уменьшению стабильности, а в следствии и уменьшению надежности распределительных сетей. Одним из способов борьбы с данной проблемой является применения накопителей электрической энергии (НЭЭ). Целью данной статьи является анализ существующих технологий НЭЭ и оценка возможности их применения в электрических сетях с высоким уровнем внедрения ВИЭ.

Классификация накопителей электрической энергии.

НЭЭ позволяют преобразовывать электрическую энергию в другие виды энергии, пригодные для хранения в определенном промежутки времени, с дальнейшей возможностью обратного преобразованию в электрическую энергию. Исходя из вышесказанного, можно разделить все НЭЭ по виду энергии, в котором происходит хранение (см. рисунок 2).

Рис. 2 - Классификация накопителей электрической энергии

 

Основные параметры исследуемых НЭЭ сведены в таблицы 1 и 2.

       I Накопители механической энергии

1. Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС)

ГАЭС это технология НЭЭ с долгой историей. Первые ГАЭС появились в конце XIX века и к настоящему моменту являются НЭЭ с наибольшей энергетической емкостью. 99% запасаемой электрической энергии в мире приходится на ГАЭС.

В состав ГАЭС входят комплекс генераторов и насосов, либо обратимые гидрогенераторы. В часы ночного минимума потребления электрической энергии ГАЭС использует дешевую электроэнергию для перекачки воды в верхний бьеф. В периоды утреннего и вечернего максимумов энергопотребления ГАЭС вырабатывает дорогую электрическую энергию, сбрасывая воду в нижний бьеф.

Установленная мощность существующих ГАЭС варьируется от 1 до 3000МВт, при эффективности порядка 70-85% и эксплуатационном сроке службы до 40 лет.

2. Технология аккумулирования энергии в виде сжатого воздуха (CAES)

Аккумулирование энергии в виде сжатого воздуха осуществляется с помощью электрического компрессора, который под высоким давлением закачивает воздух в подземные полости естественного происхождения или специальные резервуары. Закачка происходит в ночное время, в часы с минимальным уровнем энергопотребления, а в часы максимума энергопотребления, накопленный сжатый воздух используют для работы турбогенератора. CAES технологии могут применятся как для хранения большого количества энергии (аналогично ГАЭС) при этом воздух закачивается в естественные хранилища, так и для локального использования, при этом воздух закачивается в искусственные резервуары.

Основным барьером на пути применения технологии CAES является поиск подходящего географического расположения хранилища и более низкая эффективность по сравнению с ГАЭС.

Развитием технологии CAES является AA-CAES, в которую интегрирован тепловой накопитель электрической энергии.

3. Супермаховик (FES)

Современная конструкция супермаховика обычно включает следующие компоненты: маховик, подшипники, электрический двигатель/генератор, вакуумная клеть. Накопления и высвобождения электрической энергии происходит за счет ускорения или замедления маховика. Количество запасенной энергии в супермаховике зависит от скорости вращения последнего. Все супермаховики можно условно разделить на 2 категории: низко (6000 об/мин.) и высоко (до 100000 об/мин.) скоростные. Супермаховики обладают высокой эффективностью, относительно высокой плотностью энергии.

В 2011 фирма Beacon Power ввела в эксплуатацию накопительную систему на базе супермаховиков общей установленной мощностью 20МВт. Задачей данной установки является быстродействующее регулирование частоты сетевого напряжения.

      II Химические накопители электрической энергии

1. Аккумуляторы

Аккумуляторные батареи одна из самых широко используемых технологий НЭЭ как в промышленности, так и в быту. Принцип работы аккумуляторов основан на обратимости протекания химических реакций. Самыми распространенными типами серийно выпускаемых аккумуляторных батарей являются: свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные АКБ

Реагентами в свинцовых аккумуляторах служат диоксид свинца (РЬ0₂) и свинец (РЬ), электролитом — раствор серной кислоты. По области применению свинцово-кислотные АКБ разделяют на следующие группы: стартерные (для пуска ДВС), стационарные (в качестве источников резервного питания), тяговые (электротранспорт) и портативные (питание инструментов, приборов).

Литий-ионные АКБ

В качестве отрицательного электрода используется углеродистый материал, в который обратимо внедряются ионы лития. Активным материалом положительного электрода обычно служит оксид кобальта, в который обратимо внедряются ионы лития. Электролитом является раствор соли лития в неводном апротонном растворителе. Аккумуляторы имеют большую удельную энергию, высокий ресурс и способны работать при низких температурах. К недостаткам можно отнести высокую стоимость, наклонную разрядную кривую и относительно большой саморазряд. Благодаря высокой удельной энергии их производство в последние годы резко возросло.

Никель-кадмиевые АКБ

Реагентами служат гидроксид никеля и кадмий, электролитом — раствор КОН, поэтому они также называются щелочными аккумуляторами. Основным преимуществом данного типа АКБ является высокий срок эксплуатации. Применяются для питания портативной аппаратуры.

2. Топливные элементы

Топливные элементы схожи по принципу действия с АКБ, но отличаются тем, что вещества участвующие в электрохимической реакции подаются из вне. Так в водородных топливных элементах происходит превращение химической энергии водорода в электрическую энергию в обход процесса горения. Топливные элементы обладают высоким КПД и могут наравне с АКБ использоваться для буферного накопления энергии от ВИЭ. [4]

      III Электрические накопители

1. Традиционные конденсаторы

Традиционные электролитические конденсаторы в простейшем случае представляют собой устройство для накопления энергии электрического поля, состоящее из двух электродов в форме пластин разделенные диэлектриком. Конденсаторы применяются для накопления малого количества электрической энергии и характеризуются высокой плотностью энергии и малым временем зарядки/разрядки.

2. Суперконденсаторы

Суперконденсаторы - это устройства, накопление электрической энергии в которых происходит благодаря заряду двойного электрического слоя. Этот слой образован поверхностью проводника и слоем прилежащих к нему ионов электролита. Двойной электрический слой можно рассматривать как конденсатор с двумя обкладками, емкость которого пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Благодаря тому, что расстояние между заряженной поверхностью проводника из которого изготавливаются электроды и слоем ионов очень мало (измеряется ангстремами), а величина поверхности проводника (например, активированного угля) достигает 1500...2000 м²/г, емкость угольного электрода массой 1 г может составлять 100...500 Ф.

По основным параметрам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между химическими источниками электрической энергии и обычными конденсаторами. Совместно с АКБ могут выступать в качестве гибридного накопителя электрической энергии, нивелирующего недостатки обоих элементов. [5]

3. Сверхпроводниковый магнитный аккумулятор (SMES)

Данный тип НЭЭ сохраняет энергию магнитного поля, созданную током, проходящим по соленоиду из сверхпроводящего материала, охлажденного до температуры ниже критической температуры сверхпроводимости. SMES является высокоэффективным НЭЭ с КПД более 95% и обладает малой задержкой времени между процессами зарядки и разрядки. В настоящий момент SMES накопители применяются в основном для управления качеством электрической энергии. [6]

Таблица 1 – Основные параметры НЭЭ

Таблица 2 – Дополнительные параметры НЭЭ

Заключение.

В результате проведенного анализа различных технологий НЭЭ было выявлено:

1. Рост внедрения ВИЭ, ведущий к увеличению непостоянства генерируемой мощности в энергосистеме и уменьшению ее надежности, требует поиска эффективных решений для накопления электрической энергии на всех уровнях энергетической системы.
2. Накопители механической энергии характеризуются высокой установленной мощностью и инерционным характером. В настоящий момент основная область применения таких накопителей это крупные энергосистемы, в которых большую долю генерации составляют мощные тепловые и атомные электростанции, неспособные к мгновенному изменению количества вырабатываемой электрической энергии. Однако механические накопители также могут применяться и совместно с ВИЭ и в относительно малых сетях удаленных от централизованной энергетической системы.
3. Эффективным является комбинация химических и электрических НЭЭ, которая может применятся как в системах распределенной генерации на базе ВИЭ, так и в рамках централизованной энергетической системы с участием ВИЭ. Комбинация данных типов НЭЭ позволяет сочетать быстродействие электрических НЭЭ с высокой плотностью энергии химических НЭЭ.

 Литература

1. Renewables 2015. Global Status Report [Электронный ресурс] URL: http://www.ren21.net/status-of-renewables/global-status-report.
2. Bloomberg new energy finance [Электронный ресурс] URL: http://www.pv.energytrends.com.
3. Energy Technology perspectives 2012. Pathway to a Clean Energy System // IEA. –
4. Коровина Н.В., Скундина А.М. Химические источники тока. – М.: Издательство МЭИ, 2003.
5. Кузнецов В., Панькина,О. Конденсаторы с двойным электрическим слоем(ионисторы): разработка и производство // Компоненты и технологии. -2005. – №6.
6. Chen H, Cong TN, Yang W, Tan C, Li Y, Ding Y. Progress in electrical energy storage system: a critical review // Prog Nat Sci. – 2009. – 19. – С. 291–312.

References

1. Renewables 2015. Global Status Report [Jelektronnyj resurs] URL: http://www.ren21.net/status-of-renewables/global-status-report.
2. Bloomberg new energy finance [Jelektronnyj resurs] URL: http://www.pv.energytrends.com.
3. Energy Technology perspectives 2012. Pathway to a Clean Energy System // IEA. –
4. Korovina N.V., Skundina A.M. Himicheskie istochniki toka. – M.: Izdatelstvo MEI, 2003.
5. Kuznecov V., Pankina,O. Kondensatory s dvojnym jelektricheskim sloem(ionistory): razrabotka i proizvodstvo // Komponenty i tehnologii. -2005. – №6.
6. Chen H, Cong TN, Yang W, Tan C, Li Y, Ding Y. Progress in electrical energy storage system: a critical review // Prog Nat Sci. – 2009. – 19. – С. 291–312.