211service.com
Zwiększanie wydajności sieci elektrycznych
Przesył i dystrybucja energii elektrycznej od dawna są trudnym orzechem do zgryzienia dla innowacji technologicznych. Ale zderegulowane rynki energii pomagają twórcom technologii omijać notorycznie ograniczone, konserwatywne zakłady użyteczności publicznej.
Koła zamachowe Beacon Power mogą pochłaniać i uwalniać energię w mniej niż cztery sekundy, równoważąc podaż i popyt w sieci energetycznej szybciej, czyściej i taniej niż konwencjonalne elektrownie. (Źródło: Beacon Power Corp.)
Firma TransÉnergie była liderem, wykorzystując technologię zasilania prądem stałym do budowy własnych linii handlowych, które przenoszą energię dla tych, którzy zaoferują najwyższą cenę, a nie tylko służąc lokalnym dostawcom energii (patrz TransÉnergie: Gra w dwie gry energetyczne).
Teraz deweloper magazynów energii Beacon Power Corp. z Wilmington, MA, proponuje podobne podejście do wolnorotujących mediów. Zamiast sprzedawać swoje systemy magazynowania energii oparte na kołach zamachowych przedsiębiorstwom użyteczności publicznej, firma planuje zbudować własne elektrownie z kołem zamachowym, które przenoszą energię na linię energetyczną i wyłączają ją w celu ustabilizowania sieci.
Jest to pomysł, który przyciąga uwagę niezależnych operatorów systemów (ISO), regionalnych organizacji zajmujących się obsługą krajowych sieci energetycznych. ISO z Kalifornii i Nowego Jorku już testują sprzęt Beacon Power. A Matt Lazarewicz, dyrektor techniczny firmy, mówi, że równie ważnym okręgiem wyborczym, który może zaimponować, jest Wall Street. Według niego model kupiecki jest jedynym modelem, który Wall Street sfinansuje. W ten sposób zwroty są wyższe – mówi Lazarewicz. Gdy tylko powiesz, że przedsiębiorstwo użyteczności publicznej coś kupi lub coś zrobi, inwestorzy przewracają oczami i odchodzą.
Systemy magazynowania energii w postaci koła zamachowego firmy Beacon Power zostały zaprojektowane w celu zapewnienia regulacji częstotliwości – usługi, za którą ISO zapłacili w zeszłym roku ponad 600 milionów dolarów. Operatorzy sieci potrzebują pomocy w regulacji częstotliwości, ponieważ częstotliwość prądu przemiennego w sieci stale się zmienia, gdy urządzenia elektryczne i generatory włączają się i wyłączają, powodując tymczasowe nierównowagi w produkcji i zapotrzebowaniu na energię. Niezaspokojony popyt obciąża elektrownie sieciowe, spowalniając je i obniżając częstotliwość sieci poniżej wartości zadanej (60 Hz w Ameryce Północnej, 50 Hz w Europie i większości Azji). Nadmiar podaży ma odwrotny skutek. Każdy z tych warunków może spowodować automatyczne odłączenie linii energetycznych i elektrowni od sieci, zapobiegając w ten sposób uszkodzeniom sprzętu i urządzeń klientów, ale także zwiększając ryzyko przerw w dostawie prądu.
ISO obecnie polegają na elektrowniach na paliwa kopalne – głównie turbinach gazowych – w celu wygładzenia wahań częstotliwości sieci. Zakłady energetyczne starają się świadczyć tę usługę, w ten sposób umieszczając określoną część mocy swoich elektrowni (około 1-2 procent całkowitej produkcji energii w sieci) pod bezpośrednią kontrolą operatorów ISO. Na sygnał z ISO, wyznaczone zakłady rosną i spadają, aby z grubsza zrównoważyć podaż i popyt. Jest to kosztowny i zanieczyszczający proces, ponieważ elektrownie spalają paliwo najefektywniej, gdy pracują stabilnie i na pełnych obrotach. Imre Gyuk, który prowadzi program badań nad przechowywaniem energii w Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych, mówi, że wprowadzanie regulacji w zakresie wytwarzania paliw kopalnych to machanie ogonem psa.
Gazowa regulacja częstotliwości jest również coraz droższa ze względu na rosnące koszty gazu ziemnego. Dan Mears, prezes firmy konsultingowej Technology Insights z siedzibą w San Diego, mówi, że drogi gaz trafia do ISO dwukrotnie. Oprócz wzrostu kosztów regulacji częstotliwości opalanych gazem, wysokie ceny gazu przyspieszają instalację turbin wiatrowych, których porywista, niestabilna moc wyjściowa może zwiększyć potrzebę regulacji częstotliwości. To problem, który sam się odżywia, mówi Mears.
Systemy przechowywania koła zamachowego Beacon Power są zaprogramowane tak, aby zerować wahania częstotliwości poprzez recykling energii: silnik elektryczny wykorzystuje nadwyżkę mocy sieci do przyspieszania magnetycznie lewitujących kół zamachowych z włókna węglowego i włókna szklanego do nawet 22 500 obr./min, a następnie rozładowuje zmagazynowaną energię kinetyczną poprzez regenerację energii elektrycznej, gdy spadki częstotliwości sieci. W przeciwieństwie do akumulatorów – wiodącego konkurenta w dziedzinie magazynowania energii – koła zamachowe Beacon mogą wytrzymać ciągłe głębokie cykle bez utraty pojemności.
Najnowszy test tej technologii, czteromiesięczny test, który rozpoczął się w zeszłym tygodniu w centrum badawczym Pacific Gas and Electric w San Ramon, wykorzystuje siedem 6-kilowatogodzinnych kół zamachowych, każde wielkości małej lodówki, połączonych razem w system, który może wchłonąć lub rozładować 100 kilowatów mocy przez 15 minut. W przypadku systemów komercyjnych Beacon Power buduje 25-kilowatowe koła zamachowe wielkości wysokich lodówek, które zostaną połączone w klastry, aby dostarczyć od 1 do 20 megawatów.
Szybka reakcja kół zamachowych powinna również sprawić, że każdy megawat będzie przekraczał ekwiwalent mocy z elektrowni opalanej gazem, twierdzą urzędnicy Kalifornijska Komisja Energetyczna w Sacramento, które współfinansuje demonstrację w Kalifornii z Departamentem Energii USA (DOE). Mike Gravely, kierownik projektu Kalifornijskiej Komisji Energetycznej prowadzący testy w San Ramon, mówi, że generatory gazowe mogą potrzebować pięciu minut lub więcej, aby zareagować na sygnały kontroli częstotliwości California ISO (wysyłane co cztery sekundy). Do tego czasu system często sam wracał do równowagi. W przeciwieństwie do tego, koła zamachowe Beacona są w stanie przełączać się z pełnego pochłaniania mocy do pełnego rozładowania mocy szybciej niż Cal-ISO może wysyłać swoje polecenia. Istnieje możliwość, że jeśli szybciej zareagujesz na potrzeby, możesz nie potrzebować tyle energii – możesz zrobić więcej za mniej, mówi Gravely.
Gyuk z DOE przewiduje, że zaledwie 100 megawatów rezerwy koła zamachowego – połowa tego, co Kalifornia kupuje dziś od konwencjonalnych generatorów – może poradzić sobie z 90 procentami problemów z częstotliwością w stanie. A jeśli koszty pojawią się zgodnie z przewidywaniami Beacon Power, wynikające z tego oszczędności mogą być znaczne. Lazarewicz twierdzi, że budowa elektrowni o mocy jednego megawata będzie kosztować około 1,5 miliona dolarów i może spodziewać się, że ISO zarobi około 400 000 dolarów rocznie za swoje usługi. W rezultacie Lazarewicz mówi, że elektrownia powinna zwrócić się w ciągu czterech lat, nawet po pokryciu kosztów energii traconej na działanie systemów (około 15 proc. całkowitej przetworzonej energii).
Mears twierdzi, że szybka reakcja koła zamachowego może mieć również pożądaną korzyść uboczną: poprawę niezawodności sieci. Elektrownie z kołem zamachowym mogą uwolnić elektrownie gazowe, aby zapewnić dodatkową moc szczytową w upalne letnie dni, kiedy klimatyzatory są na pełnych obrotach, a międzystanowe linie energetyczne są pełne. Co więcej, szybka reakcja koła zamachowego może mocniej utrzymać częstotliwość sieci, tłumiąc odchylenia mocy, które na początku są niewielkie, ale gdy system jest przeciążony, mogą zainicjować kaskadową awarię. Utrzymanie stabilności sieci to cała idea regulacji częstotliwości – zgadza się Lazarewicz. To po prostu sposób, w jaki możemy to zrobić lepiej i taniej.