Energian varastointijärjestelmien verkkoyhteensopivuus pohjimmiltaan kysyy, voidaanko nämä akkujärjestelmät liittää sähköinfrastruktuuriin, jonka rakensimme 50-70 vuotta sitten ilman, että kaikki menee sivuttain. Sähköverkko on suunniteltu yhteen suuntaan - sähkö virtaa voimalaitoksilta kotiisi. Tarinan loppu. Nyt yritämme saada sen toimimaan akuilla, jotka lataavat, purkavat ja vaihtavat välillä sekunneissa.
Tekninen määritelmä koskee jänniteparametreja, taajuusvastetta ja harmonisia. Mutta se riippuu siitä, toimiiko tallennusjärjestelmä mukavasti kaiken muun verkkoon liitetyn kanssa. Voiko se vastata verkko-operaattorin signaaleihin? Aiheuttaako se sähköistä melua, joka sotkee muita laitteita? Pysyykö se vakaana, kun verkkoolosuhteet muuttuvat?
Miksi nopeus on tärkeämpää kuin kapasiteetti
Useimmat ihmiset keskittyvät siihen, kuinka paljon energiaa akku voi varastoida. Se on megawatti{1}}tuntia (MWh). Mutta verkkoyhteensopivuuden kannalta teholla megawatteina (MW) ja sen reagointinopeudella on yhtä suuri merkitys.
Etelä-Australiassa sijaitseva Hornsdalen tehoreservi osoitti jotain tärkeää - heidän 100 MW/129 MWh:n Teslan akun asennus pystyi nostamaan nollasta täyteen tehoon 140 millisekunnissa. Perinteiset kaasuvoimalaitokset tarvitsevat 10–15 minuuttia käynnistyäkseen ja saavuttaakseen täyden tehon. Ero on valtava, kun yrität pitää verkon taajuuden vakaana. Taajuuden on pysyttävä välillä 49,9–50,1 Hz Australiassa (tai 59,9–60,1 Hz Pohjois-Amerikassa), ja poikkeamat tämän alueen ulkopuolella voivat vahingoittaa laitteita tai laukaista sarjahäiriöitä. Teslamag.de:n tiedot osoittivat, että tämä akku reagoi Etelä-Australian hiilivoimalan matkaan nopeammin kuin mikään muu verkon resurssi.
Taajuusongelma, jota kukaan ei suunnitellut
Verkot toimivat vaihtovirralla, joka värähtelee tietyllä taajuudella. Pohjois-Amerikassa se on 60 Hz, useimmissa muissa paikoissa 50 Hz. Kun tuotanto ja kuormitus ovat tasapainossa, taajuus pysyy vakaana. Kun tuotanto katkeaa äkillisesti -, voimalaitos laukeaa offline-tilassa - taajuus laskee. Perinteiset verkot hoitivat tämän pyörivällä varauksella, periaatteessa voimaloilla, jotka toimivat alle kapasiteetin ja voivat nousta nopeasti.
Akut muuttivat yhtälön. Ne voivat syöttää tehoa lähes välittömästi, mutta ne voivat myös tyhjentää yhtä nopeasti, jos niitä ei ohjata kunnolla. Tämä luo uusia yhteensopivuushaasteita, koska verkon ohjausjärjestelmät on suunniteltu perinteisen tuotannon hitaampien vasteominaisuuksien ympärille.
Standardit, jotka eivät pysy perässä
IEEE 1547 on Yhdysvaltojen päästandardi hajautettujen energialähteiden yhdistämiseksi. Vuoden 2018 päivityksen piti korjata ongelmat vuoden 2003 versiossa, joka kirjoitettiin ennen kuin suuri-akkuvarasto oli olemassa. Mutta edes 2018-standardi ei kata kaikkea, mitä tallennusjärjestelmien on tehtävä.
Kalifornian asennettu akkukapasiteetti saavutti 10 000 MW vuoden 2024 alussa Kalifornian riippumattoman järjestelmäoperaattorin tietojen mukaan, jotka ovat saatavilla osoitteessa caiso.com. Suurin osa näistä laitoksista on litiumrautafosfaattikemiaa (LiFePO4), joiden energiatiheys on noin 90–120 Wh/kg. Alempi kuin 150-200 Wh/kg, jonka saat NMC-akuilla, mutta vakaampi korkeissa lämpötiloissa ja parempi käyttöikä verkkosovelluksissa.
Ongelmana on, että jokainen apuohjelma on lisännyt omat vaatimuksensa IEEE 1547:n päälle. Hawaiian Electricillä on yksi joukko sääntöjä. PG&E:llä on erilaisia. Se, mikä toimii akun asennuksessa Kaliforniassa, ei välttämättä täytä Texasin tai New Yorkin vaatimuksia. Todellista standardointia ei ole, mikä tekee tallennustilan skaalaamisesta kalliimpaa kuin sen tarvitsee olla.
Invertterit ovat todellinen pullonkaula
Invertteri on paikka, jossa DC-akkuvirta muunnetaan AC-verkkovirraksi. Se on myös yhteensopivuuden chokepoint. Nykyaikaisten verkkoon{2}}sidottujen invertterien on säädettävä jännitettä, tuettava loistehoa, taajuusvastetta ja kommunikoitava verkko-operaattoreiden kanssa käyttämällä protokollia, kuten DNP3 tai Modbus. Jotkut invertterit voivat tehdä kaiken tämän hyvin. Muut eivät voi.
Kun samassa jakelupiirissä on useita tallennusjärjestelmiä, niiden invertterit voivat taistella keskenään. Yksi järjestelmä yrittää nostaa jännitettä, toinen yrittää laskea sitä. Tämä aiheuttaa värähtelyjä, jotka voivat vahingoittaa laitteita tai laukaista suojareleitä. Useiden invertterien koordinointi vaatii kehittyneitä ohjausjärjestelmiä, joita useimmilla apulaitoksilla ei vielä ole.
Todellisia projekteja, todellisia ongelmia
Moss Landing Energy Storage Facility Kaliforniassa on tällä hetkellä yksi suurimmista akkuasennuksista maailmanlaajuisesti - 3 000 MW Pacific Gas & Electric -dokumentaation mukaan osoitteessa pge.com. Se voi vaihtaa täydestä latauksesta täyteen purkaukseen alle sekunnissa, mikä tekee siitä arvokkaan taajuuden säätelyssä ja huippukysynnän hallinnassa.
Mutta yhteensopivuus ei ollut automaattista. PG&E:n oli päivitettävä muuntajat ja suojalaitteet liitäntäpisteessä. He tarvitsivat uusia ohjausjärjestelmiä koordinoidakseen akun muiden sukupolvien resurssien kanssa. Projekti kesti kolme vuotta hyväksymisestä käyttöön, ja merkittävä osa ajasta käytettiin verkkointegraatiotutkimuksiin ja infrastruktuurin päivityksiin.
Pienemmät hajautetut varastoasennukset kohtaavat erilaisia haasteita. Asuin- ja kaupallisten järjestelmien on täytettävä UL 9540 ja UL 1973 turvallisuusstandardit. Niiden on noudatettava paikallisia sähkösääntöjä, jotka vaihtelevat hurjasti lainkäyttöalueiden välillä. Jotkut paikat vaativat nopean sammutuksen. Toiset vaativat erityisiä katkaisukytkimiä tai palonsammutusjärjestelmiä.
Yhteensopivuuden kustannukset
Yhteenliittämisvaatimusten täyttäminen lisää 15-20 % varastojärjestelmän asennettuihin kustannuksiin. Tämä sisältää erityiset suojalaitteet, viestintälaitteistot, virranlaatututkimukset ja yhdysliikennemaksut. Pienemmissä projekteissa nämä kustannukset voivat tappaa talouden kokonaan. 500 kWh:n kaupallinen tallennusjärjestelmä saattaa olla järkevä kysynnän maksujen vähentämiseksi, mutta ei, jos joudut käyttämään ylimääräisiä 50 000 dollaria yhteenliittämisvaatimuksiin.
Saksassa on VDE:n kautta erilaisia standardeja, jotka eivät ole IEEE-vaatimusten mukaisia. Pohjois-Amerikan markkinoille suunnitellut laitteet tarvitsevat usein laitteistomuutoksia toimiakseen Euroopassa. Tämä pirstoi markkinoita ja estää sellaisia massatuotannon mittakaavaetuja, jotka ovat alentaneet aurinkopaneelien kustannuksia.
Mitä tapahtuu, kun paristot vanhenevat
Litiumparistot hajoavat. Kapasiteetti heikkenee, sisäinen vastus kasvaa ja suorituskyky heikkenee ajan myötä. Akkujärjestelmä, joka täytti kaikki verkkovaatimukset uutena saattaa olla vaikeuksissa 5-7 vuoden raskaan pyöräilyn jälkeen.
Verkkokoodit eivät todellakaan ota huomioon tätä heikkenemistä. Järjestelmän on pysyttävä vaatimustenmukaisena koko 10–15 vuoden odotetun käyttöikänsä ajan. Ohjausjärjestelmien on mukauduttava akun ominaisuuksien muuttuessa. Jotkut varhaiset varastointiasennukset kohtaavat ongelmia, joissa heikentyneet akut eivät pysty tarjoamaan verkko-operaattoreille alun perin lupaamiaan vasteaikoja tai tehotasoja.
Ei ole olemassa tavallista lähestymistapaa asian hoitamiseen. Jotkut projektikehittäjät ylimitoittavat järjestelmänsä aluksi ja suunnittelevat huononemista. Toiset käyttävät kehittyneitä akunhallintajärjestelmiä, jotka säätävät toimintaparametreja akkujen ikääntyessä. Mutta tämä lisää monimutkaisuutta ja kustannuksia, joita ei ollut varhaisissa projektimalleissa.
Uusiutuvan integraation haaste
Uusiutuvan energian korkea tunkeutuminen luo jyrkkiä ramppeja, joita varastoinnin on käsiteltävä. Kun aurinkoenergian tuotanto kaatuu illalla, akut purkautuvat täyttämään aukon. Kun tuuli yhtäkkiä voimistuu yön aikana, akut latautuvat imeäkseen ylimääräisen tuotannon.
Tämän koordinoiminen tuhansien yksittäisten tallennusjärjestelmien välillä on hallintaongelma, jota ruudukot eivät ole ennen kohdanneet. Tarvitset reaaliaikaisen-seurannan, nopean viestinnän ja algoritmeja, jotka voivat optimoida jakelun hajautettujen resurssien välillä. Jotkut alueet kehittävät näitä valmiuksia. Toiset käyttävät edelleen 1980-luvun ohjausjärjestelmiä, jotka tuskin pystyvät käsittelemään perinteistä tuotantoa, puhumattakaan tuhansista akuista, jotka voivat muuttaa tehoaan millisekunneissa.
Infrastruktuuri, jota kukaan ei halua rahoittaa
Varastoinnin kannattajat puhuvat akuista, jotka mahdollistavat uusiutuvan energian. Se on totta vain, jos verkkoinfrastruktuuri pystyy käsittelemään kaksisuuntaista tehovirtaa. Monissa paikoissa ei voi. Jakelumuuntajat suunniteltiin yksisuuntaiseen-tehovirtaan. Suojausjärjestelmissä oletetaan, että vikavirta tulee siirtoverkosta, ei jakeluverkon akuista.
Tämän infrastruktuurin parantaminen maksaa miljardeja. Palveluyritykset ovat haluttomia käyttämään rahaa päivityksiin, jotka eivät välttämättä maksa vuosikymmeniin. Sääntelyviranomaisten on vaikea hyväksyä hintojen korotuksia infrastruktuurille, jota asiakkaat eivät suoraan näe. Joten yhteensopivuusrajoitukset jatkuvat, koska perusta ei ole olemassa tukemaan sitä, mitä tallennusjärjestelmät voivat tehdä.
Missä asiat seisovat
Australia ja Kalifornia ovat oppineet grid{0}}mittakaavaisen tallennustilan integroinnista enemmän kuin missään muualla. Niiden suuret käyttöönotot paljastivat ongelmia, jotka eivät olleet ilmeisiä pilottiprojekteissa. He ovat kehittäneet parempia standardeja, parantaneet ohjausjärjestelmiä ja koulutettuja huoltohenkilöstöä, jotka ymmärtävät kuinka käyttää verkkoja, joilla on suuri tallennuskapasiteetti.
Mutta ei ole olemassa universaalia pelikirjaa. Se, mikä toimii Etelä-Australiassa sen eristettyjen verkkojen kanssa, ei välttämättä päde Texasiin, jossa on massiivinen yhteenliitetty järjestelmä. Kalifornian lähestymistapa tallennusresurssien hallintaan ei käänny suoraan alueille, joilla on erilaiset markkinarakenteet tai sääntelykehykset.
Energian varastointijärjestelmien verkkoyhteensopivuus on edelleen työn alla. Tekniikka on olemassa. Standardit paranevat. Kokemusta kertyy. Mutta akkujen saaminen toimimaan luotettavasti sähköverkoilla, joita ei ole suunniteltu niille, vie aikaa, rahaa ja institutionaalista oppimista, jota ei voi kiirehtiä. Jotkut alueet selvittävät sen nopeammin kuin toiset, ja ne, jotka eivät sitä tee, maksavat korkeampia kustannuksia vähemmän luotettavista verkoista kuin niillä olisi voinut olla.