АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ НА ОБЪЕКТАХ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

АННОТАЦИЯ

В работе будут представлены варианты организации и состава накопителей энергии для ветроагрегатов (сглаживание пульсаций мощности). Необходимо провести сравнительную оценку их технико-экономических показателей и оценку на соответствие требованиям, предъявляемым к накопителям энергии. В вариантах рассмотрены батареи электрохимических аккумуляторов, супермаховики и комбинации из этих накопителей.

1. Требования, предъявляемые к накопителю энергии

У ветроэнергетики имеется ряд недостатков, сдерживающих ее развитие. Один из главных недостатков – непостоянство и неравно­мерность (штиль, слабо, сильно, порывами). Для обслуживания какого-то конкретного объекта необходимо непосредственно к ветроагрегату добавлять целый комплекс дополнительного оборудования: инвертор для преобразования полученной энергии в ток промыш­ленного качества, батарею аккумуляторов для выравнивания мощности (накопитель энергии), резервный дизель-генератор на случай длительного безветрия. Добавление всех этих агрегатов, которые значительную часть времени будут простаивать, увеличивает себестоимость производимой энергии в 2-3 раза. Поэтому наилучшим выходом является поиск наиболее экономически эффективных вариантов компоновки дополнительного оборудования в целях оптимизации стоимости электроэнергии по принципу ее минимизации.

Исходя из вышеизложенного, накопитель энергии, предлагаемый для применения на объектах ветроэнергетики, должен удовлетворять следующим требованиям:

• прогнозная удельная стоимость 1 МДж ёмкости не должна превышать 25000 руб./МДж для серийного образца и 250000 руб./МДж для опытного;
• преобразователь электроэнергии должен поддерживать мощность не менее 5 кВт в течение одного часа;
• габариты и вес накопителя должны обеспечивать его транспортировку и монтаж на площадку проведения натурных испытаний;
• накопитель должен обеспечивать режим эксплуатации на открытой площадке в климатических условиях региона проведения натурных испытаний;
• накопитель должен удовлетворять требованиям безопасности при эксплуатации энергетических установок.

Назначение накопителя энергии для ветрогенераторов – накопитель должен сглаживать пульсации мощности ветроагрегата;

2. Варианты накопителей электроэнергии для ветроагрегатов и оценка их технико-экономических параметров

Рассмотрим типы накопителей, которые можно рекомендовать для сглаживание пульсаций мощности ветроагрегатов. Ввиду особенностей работы, конструкции и расположения ветрогенераторов накопители энергии для них должны отличаться автономностью (необслуживаемые) и, соответственно, большим ресурсом. Этим требованиям в большей степени отвечают электрохимические аккумуляторы и электромеханические накопители.

В соответствии с требованиями целью использования накопителей в составе ветроагрегатов является сглаживание пульсаций мощности самого ветроагрегата. Аварийное энергоснабжение ответственных потребителей или пиковое регулирование сети на такой накопитель не возлагается. Предположим, что порядок работы накопителя в составе ветроагрегата будет следующим. Ветроагрегат, по мере ветровой активности, заряжает накопитель до 100% его ёмкости, после чего энергия из накопителя выдаётся в сеть с мощностью, которую пропустит линия электропередачи.

Как правило, в электрическую станцию объединяются несколько или много более по числу ветроагрегатов. Другими словами, ветроэлектростанция – это система с распределенным генерирующим оборудованием относительно небольшой единичной мощности. В зависимости от порядка величины единичной мощности типового ветроагрегата могут оказаться целесообразными различные решения по накопителям энергии.

Рассмотрим типовой ветроагрегат единичной мощностью, например, до 20 кВт макс. и предположим, что за сутки, со средней мощностью 10 кВт, им будет наработано 240 кВт.ч электроэнергии. Для такой мощности и ёмкости возможны три варианта реализации накопителя:

1. батарея электрохимических накопителей – аккумуляторов, например, 7 OРzS490, которая через инвертор отдаёт энергию в сеть:

a) ёмкость – 2В/490А∙ч (0,98 кВт.ч), вес - 41кг/шт., цена – 10,5тыс. руб./шт., срок службы при разрядах 80% – 13,2 лет, при разряде до 30% – 22 года. Для работы с МАП Энергия SIN 24В батарея должна состоять из 12 последовательно включенных аккумуляторов типа 7 OРzS490. Ёмкость такой батареи – 11,8 кВт.ч (24В х 490А∙ч=11,8кВт∙ч), вес – 41 х 12= 492 кг, цена – 126 тыс. руб.

1. маховичный накопитель типа Smart Energy Matrix (SEM) 1MW, который непосредственно отдаёт накопленную энергию в сеть:

a) На основе отдельных кинетических накопителей Beacon Power разработала кластер кинетических накопителей Smart Energy Matrix. Кластер Smart Energy Matrix включает в себя:

• десять накопителей Smart Energy 25 flywheel;
• трансформаторы;
• электронную систему управления и контроля;
• морской 30-футовый (≈9,2 м) контейнер.

b) Характеристики кластера Smart Energy Matrix:

• энергоёмкость:                                             250 кВт.ч;
• мощность:                                                      1 МВт;
• время реакции на изменение частоты: 5 мес.

1. комбинированный накопитель для группы из N-шт. ветроагрегатов, когда «небольшие» батареи электрохимических накопителей при каждом ветроагрегате через свой промежуточный преобразователь отдают на раскрутку «большого» маховичного накопителя типа Smart Energy Matrix, от которого в свою очередь поступает энергия в сеть.

Оценим параметры электрохимического накопителя.

Для запасения энергии 240 кВт.ч, с учётом КПД заряда 0,85 и принятого 30%-го уровня разряда аккумуляторов (буферный режим работы), потребуется батарея ёмкостью 680 кВт.ч (240 х 0,85:0,3=680). Ёмкость одной батареи на 24В из 12 аккумуляторов 7 OРzS490, включённых последовательно, составит 11,8 кВт.ч. Таких батарей на 11,8 кВт надо включить параллельно 57 штук (680:11,8=57,6). Итого на электрохимический накопитель потребуется 684 аккумулятора типа 7 OРzS490 весом 28 т и ценой 7,2 млн. руб. Объём при средней плотности вещества аккумулятора в 7 т/м³ составит 4 м³. Предположим, что накопленную энергию аккумуляторы через инвертор отдают в сеть за 4 часа в моменты пикового потребления. Тогда суммарная мощность инверторов должна быть равна 51 кВт (240кВт.ч х 0,85:4 ч= 51 кВт), а количество МАП Энергия SIN 12 кВт, работающих на номинальной мощности 8 кВт, составит 6 штук (51:8=6,4). Стоимость (0,42 млн. руб.), вес (0,3 т) и объём преобразователей типа МАП Энергия SIN, на фоне цены АКБ, не будут велики, т. е. цена, вес и объём такого накопителя определяются электрохимическими аккумуляторами. Стоимость 1МДж суточной энергии такого накопителя – 3,2 тыс. руб.

Маховичный накопитель типа Smart Energy Matrix 1MW@250kWh сможет запасти практически всю суточную энергию ветроагрегата и затем по команде сможет отдать в сеть потребителю, например, за 15(7,5) мин при мощности 1 (2) МВт. Цена такого накопителя – 45 млн. руб., вес – 18 т, объём – 55 куб. м. Стоимость 1МДж суточной энергии такого накопителя – 50 тыс. руб. Для электрического согласования ветроагрегата с маховичным накопителем, дополнительно потребуются: небольшой буферный электрохимический накопитель ёмкостью, например, 12кВт.ч и два преобразователя типа инвертора МАП Энергия SIN 9 кВт для раскручивания маховика. В этом варианте типовой режим маховика будет следующий: в течение суток маховик запасает энергию, а когда его ёмкость будет заполнена, он выдает её в сеть. При необходимости можно не дожидаться 100%‑ного «наполнения» ёмкости маховика, а выдавать энергию в сеть в доступном объёме.

В качестве примера, для демонстрации принципа накопления энергии от ветроагрегата и оценки показателей, рассмотрим для группы из 10 ветроагрегатов средней мощностью по 10 кВт вариант накопителя в виде комбинации 10 электрохимических батарей относительно небольшой ёмкости и одного накопителя Smart Energy Matrix 1MW@250kWh.

Пусть в течение около 2,4 часа (в среднем) каждая батарея аккумуляторов, работающая в буферном режиме (т. е. при заряде-разряде используется 30% её ёмкости), набирает емкость 24 кВт.ч, а затем по очереди или одновременно отдает её маховичному накопителю. Суммарная ёмкость десяти батарей аккумуляторов от 10-ти ветро­агрегатов близка по величине ёмкости маховичного накопителя. После того, как маховичный накопитель отдаст за 15 минут полученную энергию в сеть, он забирает энергию от аккумуляторных батарей следующей группы из 10 ветроагрегатов. Если принять, что время заряда и разряда маховика составляет 30 минут, то получается, что один маховик с периодом в 3 часа способен принимать энергию поочередно от 2-х групп по 10 ветроагрегатов. Тогда в каждом ветроагрегате для обеспечения буферной ёмкости в 23,6 кВт.ч будет находиться батарея полной ёмкостью 78,7 кВт.ч из 80 аккумуляторов 7 OРzS490 (23,6 кВт.ч : 0,3 : 2 В : 0,49 А.ч=80 шт.) весом 3,3 т, ценой 840 тыс. руб. Для передачи энергии от аккумуляторов к маховику на каждом ветроагрегате будет достаточно двух инверторов типа МАП Энергия SIN 9 кВт, работающих на номинальной мощности 5 кВт, ценой 100 тыс. руб. и весом 72 кг.

В расчете на 2 группы по 10 ветроагрегатов общей мощностью 200 кВт и суточной выработкой 4,8 МВт.ч потребуется 1600 аккумуляторов типа 7 OРzS490 ценой 17 млн. руб., весом 66 т, объёмом 10 м³ и 40 инверторов типа МАП Энергия SIN 9 кВт ценой 2 млн. руб., весом 1,5 т, а также один маховичный накопитель Smart Energy Matrix 1MW@250kWh ценой 45 млн. руб., весом 18 т, объемом 55 м³. Продолжительность выдачи энергии в сеть в течение суток при периоде разряда маховика в 3 часа, на мощности 2МВт, составит 60 минут (24 ч : 3 час х 7,5 мин=60) от первой группы из 10 ветроагрегатов и другие 60 мин от второй группы ветроагрегатов, итого – 2 часа в сутки на мощности 2МВт.

Итого на 4,8 МВт.ч потребуется 64 млн. руб. (по 3,2 млн руб. на ветроагрегат), что даст стоимость 1 МДж суточной энергии в 3,7 тыс. руб., которая не превышает показатель п.6.2 ТЗ (25000 руб.) и сравнима со стоимостью электрохимических накопителей.

В таблице 1 приведены характеристики накопителей для ветроагрегатов единичной мощностью 10 кВт (в среднем за сутки).

Таблица 1.

Сравнение накопителей для ветроагрегатов единичной мощностью 10 кВт

Как видно из сравнения, вариант установки комбинированного – электрохимического и маховичного накопителей – позволяет довести удельные (в расчёте на один ветроагрегат) весогабаритный и ценовой показатели до уровня значительно ниже, чем у электрохимического накопителя, и при этом на выходе в сеть иметь все технические особенности маховичного накопителя. Чтобы обеспечить функцию сглаживания пульсаций мощности самого ветроагрегата, достаточно выдавать энергию в сеть не с указанными в таблице 1 мощностями (по каждому варианту), а с мощностями, приведенными к 24 часам работы на сеть.

Если принять единичную мощность типового ветроагрегата в 200 кВт макс вместо 20 кВт макс, то за сутки, со средней мощностью 100 кВт, им будет наработано 2400 кВт.ч электроэнергии.

Для такой мощности и ёмкости практически подходит вариант реализации комбинированного накопителя для группы из N-шт. ветроагрегатов. Если вместо 20 ветроагрегатов мощностью по 10 кВт принять в расчёт 2 ветроагрегата мощностью по 100 кВт, то получим для накопителя тот же состав оборудования и те же самые технико-экономические показатели, что и в строке 3 таблицы 1. Данные по этому варианту приведены в таблице 2.

Вариант с электрохимическим накопителем для ветроагрегата на 100 кВт можно оценить, увеличив десятикратно количество аккуму­ляторов и МАП Энергия. Данные по варианту приведены в таблице 2. В этом варианте ёмкость маховика будет заполнена за 2,5 часа на 100 %, а затем накопленная в нем энергия 250 кВт.ч будет выдана в сеть за 7,5 минут на мощности 2 МВт. Приняв количество циклов за сутки равным восьми, получим продолжительность работы на сеть, равной 1 час, с выдачей энергии 2 МВт.ч.

Вариант с маховичным накопителем для ветроагрегата на 100 кВт также можно оценить по таблице 1 (строка 2), увеличив десятикратно количество аккумуляторов и МАП Энергия, но оставив в составе один маховик Smart Energy Matrix 1MW@250MWh. Маховику придётся по мере заполнения его ёмкости периодически разряжаться в сеть на максимальной или какой-либо промежуточной мощности, чтобы приготовиться к следующему циклу заряд-разряд от ветроагрегатов. Данные по этому варианту приведены в таблице 2.

В таблице 2 приведены характеристики накопителей для ветроагрегатов единичной мощностью 100 кВт (в среднем за сутки).

Таблица 2.

Сравнение накопителей для ветроагрегатов единичной мощностью 100кВт

Для ветроагрегата единичной мощностью 100 кВт все варианты накопителя – электрохимический, маховичный и комбинированный – дают приемлемые уровни стоимости 1МДж суточной энергии – от 3,2 до 6,7 тыс. руб. /МДж. Однако цена накопителя из расчёта на один такой ветроагрегат в случаях электрохимического и маховичного накопителя – в 2,4 и 1,5 раза соответственно больше, чем у комбинированного накопителя. По весу «чистая электрохимия» в 6,5 – 11,7 раз проигрывает двум другим вариантам.

По данным таблиц 1 и 2 видно, что для ветроагрегатов единичной мощностью от 10 до 100 кВт использование маховичных накопителей в комбинации с электрохимическими аккумуляторами предпочтительно по сравнению с накопителем на одних аккумуляторах.

По поводу применения электромеханического накопителя и аккумуляторных батарей интересно рассмотреть подход, предложенный крупнейшим производителем ветрогенераторов в Германии, фирмой Enercon.

3. Расчеты и выводы

Наиболее подходящими типами накопителей электроэнергии для сглаживания пульсаций мощности ветроагрегатов являются:

1. маховичные (инерционные, кинетические) накопители,
2. батареи электрохимических аккумуляторов;
3. комбинация электрохимического буфера и маховичного накопителя;

Для ветроагрегата единичной мощностью 100 кВт все варианты накопителя – электрохимический, маховичный и комбинированный – дают приемлемые уровни стоимости 1МДж суточной энергии – от 3,2 до 6,7 тыс. руб. /МДж. Однако цена накопителя из расчёта на один такой ветроагрегат в случаях электрохимического и маховичного накопителя – в 2,4 и 1,5 раза соответственно больше, чем у комбинированного накопителя. По весу «чистая электрохимия» в 6,5 – 11,7 раз проигрывает двум другим вариантам.

Расчет сравнительной экономической эффективности каждого варианта выполним в таблице 3.

Таблица 3.

Расчет сравнительной экономической эффективности накопителя энергии

Согласно данным расчетов таблицы 3, при сравнении вариантов накопителя для ветроагрегатов единичной мощностью 100 кВт и 10 кВт, наиболее экономически эффективным будет являться комбини­рованный вариант № 5 с небольшим электрохимическим буфером и маховичным накопителем, который дает экономию суммарных и удельных затрат в размере -402 млн. руб.

При сравнении вариантов накопителя для ветроагрегатов единичной мощностью 100 кВт наибольший экономический эффект дает комбинированный вариант №6 с электрохимическим буфером (на каждый из 2 ветроагрегатов минипарка) и общим маховичным накопителем. Экономия суммарных затрат на приобретение оборудования накопителя составит -32 млн. руб. по сравнению с вариантом №5 и -88 млн. руб. в сравнении с вариантом № 4. Соответственно, экономия удельных затрат составит -64 млн. руб. и -120 млн. руб.

Список литературы:

1. Алексеев Б.А. Применение накопителей энергии в электроэнергетике // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. – 2005. – № 1. – С. 42-46.
2. Перспективы применения накопителей энергии в ЕНЭС и ЕЭС России / Ю.Г. Шакарян и др. // Вести в электроэнергетике. – 2010. – № 4. – С. 16-22.
3. Попель О.С., Тарасенко А.Б. Накопители электрической энергии // Энергоэксперт. – 2011. – № 3. – С. 28-37.
4. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. – М.: ООО «Изумруд». 2003.
5. Шульга Р.Н. Характеристики энергоинформационного пространства для природных и электроэнергетических объектов // Энергосбережение и водоподготовка. – 2015. – № 3 (95). – С.68-76.
6. Шульга Р.Н. Энергоинформационные распределительные сети // Новое в российской электроэнергетике. – 2015. – № 6. – С. 19.