SKLADIŠTENJE ENERGIJE KAO DEO EES-a

Uvod Različite primene električne energije i varijacije potrošnje na dnevnom i sezonskom nivou utiču na to da dijagram potrošnje ne bude konstantan Proizvodnja takođe nije konstantna zbog ograničene raspoloživosti agregata i varijacija u proizvodnji HE i obnovljivih izvora energije Postoji potreba za specijalno struktuiranom jedinicom između proizvodnje i potrošnje: - da proizvođaču omogući povećanje minimuma proizvodnje i smanjenje maksimuma proizvodnje - da ohrabri potrošača da deo svoje vršne potrošnje pomeri u minimum potrošnje Skladištenje energije u vidu hemijske energije u akumulatorskim baterijama predstavljao je osnovni deo prvobitnih izolovanih DC sistema na početku prošlog veka (najpre u Germantown-u, Pennsylvania, 1890) Skladištenje energije u EES-u se definiše kao sistem ili postupak, obično sa nezavisnim upravljanjem, pomoću koga je moguće skladištiti energiju koja je generisana u EES-u, održati je skladištenom i koristiti je kada je to potrebno

Na osnovu prethodne definicije, sistem za skladištenje energije u EES-u može da se koristi u tri radna režima: - punjenje - skladištenje - pražnjenje Zbog balansa snage i energije u EES-u, sistem za skladištenje energije mora da ima odgovarajuću naznačenu snagu i energetski kapacitet Sistem za skladištenje energije može da se koristi iz razloga: - da poveća efikasnost rada EES-a - da smanji potrošnju primarnog energenta konzervacijom energije - kada drugi alternativni izvori nisu dostupni - da obezbedi sigurnost napajanja energijom Postoje dva različita tipa energetskih sistema: - hibridni sistem (sistem sa dve ili više vrsta ulaznih energija i jednom vrstom energije na izlazu, primer: hibridni vetar-solar sistem) - kombinovani sistem (sistem sa jednim primarnim izvorom i na ulazu i sa dve ili više vrsta energija na izlazu, primer: CHP proizvodnja) Skladištenje energije je moguće u oba sistema

Balans energije i snage u sistemu za skladištenje energije Sistem za skladištenje energije se sastoji iz tri dela: - centralno skladište (CS) - sistem za transformaciju snage (PTS) - upravljački sistem za punjenje i pražnjenje (CDCS) Slika 3.1: Struktura sistema za skladištenje energije, a,b,c – izabrani čvorovi u EES-u

CS se sa stanovišta EES-a može u potpunosti definisati sa - energetskim kapacitetom Es – energijom koja se može skladištiti (može biti mehanička, termička, hemijska ili električna) - naznačenom snagom Ps – da bi sistem za skladištenje energije mogao da se puni i prazni sa snagom Ps u skladištu mora da ostane izvesni deo skladištene energije Naznačena snaga PTS-a se može definisati na osnovu naznačene snage punjena skladišta Pc i naznačene snage pražnjenja skladišta Pd: CDCS je specijalno projektovan mikroprocesorski kontroler sa odgovarajućim softverom Kada sistem za skladištenje energije radi kao deo EES-a, važi: gde su: Pg i Qg – aktivna i reaktivna snaga proizvodnje u EES-u, Pl i Ql – aktivna i reaktivna snaga potrošnje, Ps i Qs – aktivna i reaktivna snaga skladišta energije

Sistem za skladištenje energije predstavlja nesavršen magacin energije, u njemu postoje gubici δEs: gde je Egen energija koja se proizvodi u EES-u i El potrošnja u EES-u Slika 3.2: Balans energije u skladištu: Ec – energija konzumirana od strane skladišta za vreme punjenja Es – energija akumulirana u skladištu Es’ – preostala energija u skladištu Ed – energija koju daje skladište za vreme pražnjenja δEc, δEs(t), δEd – gubici energije u toku punjenja, skladištenja i pražnjenja

Gubici energije δEs: Efikasnost punjenja ξc: Efikasnost skladišta ξc(t): Efikasnost praženja ξd: Efikasnost ciklusa punjenja i pranjenja ξs: Gubici energije δEs:

Matematički model sistema za skladištenje energije Matematičko modelovanje sistema za skladištenje energije zahteva formulaciju modela za svaki deo sistema: CS, PTS i CDCS Uloga CS je da akumulira energiju u određenoj količini i da je vrati sa određenom brzinom, akumulirana energija Es je funkcija sledećih tipova parametara: - konstrukcionih parametara CPi koji su konstantni za dati CS - varijabilnih parametara VPi koji su funkcija režima skladištenja Funkcija koja modeluje CS: Snaga koja definiše tok energije iz CS-a:

Osnovna funkcija PTS-a je da reguliše snagu toka energije iz CS-a u saglasnosti za referentnim zahtevima EES-a, ta snaga zavisi od: - istih varijabilnih parametara VPi - konstantnih PTS parametara CPPi - specijalnih upravljačkih parametara RPi - parametara koji se odnose na režim rada EES-a PWSRP Matematički model PTS-a: CDCS treba da izmeri parametre koji se odnose na režim rada EES-a i u CS-u, da izračuna željenu snagu Pdes kojom bi se energija koristila iz CS-a i onda da izračuna sprecijalne upravljačke parametre i da ih pošalje PTS-u Matematički model CDCS-a: Željena snaga mora biti:

Matematički model se može dopuniti jednačinom balansa energije: Funkcije fCS, fPTS, fCDCS, FCDCS se posebno definišu za različite vrste CS-a i PTS-a, kao od željene funkcije CS-a u EES-u Ako su uključeni zahtevi sistema za skladištenom energijom, matematički model sistema za skladištenje energije se može pojednostaviti: Modelovanje upravljanja aktivnom i reaktivnom snagom sistema za skladištenje energije: gde se vremenska konstanta Ts posebno određuje za različite tipove sistema za skladištenje energije

Statičke primene sistema za skladištenja energije Statičke primene sistema za skladištenje energije: - za povećanje minimuma proizvodnje koja pokriva bazni deo dijagrama potrošnje (u kome učestvuju efikasne TE i NE) - za smanjenje proizvodnje koja pokriva srednji deo dijagrama potrošnje u kojoj učestvuju manje efikasne elektrane na fosilna goriva - za smanjenje vršne proizvodnje u kojoj učestvuju elektrane na gas i naftu i dizel agregati - za obezbeđivanje dodatne rezerve u slučaju priključenja obnovljivih izvora energije koji imaju intermitentnu proizvodnju energije Skladištenje energije u toku minimuma potrošnje i njeno korišćenje u toku maksimuma potrošnje je opravdano ako je: gde su: ξs – efikasnost sistema za skladištenje energije Cmin i Cmax – troškovi proizvodnje u toku minimuma i maksimuma potrošnje

Slika 3.3: Tipični sedmični dijagram potrošnje koji se pokriva proizvodnjom bez skladištenja energije proizvodnjom sa skladištenjem energije

Skladištenje energije i obnovljivi izvori energije U slučaju priključenja obnovljivih izvora energije veće instalisane snage u EES-u neophodno je: - povećanje rezerve instalisanih kapaciteta konvencionalnih elektrana - uvođenje sistema za skladištenje energije Iako je u EES-u Srbije tercijarna rezerva za podizanje snage 450 MW, planirani kapaciteti budućih intermitentnih izvora energije mogu biti veći od 450 MW ako se koriste različiti OIE (VE, solarne elektrane, male HE i elektrane na biomasu) Povećanje rezerve ili uvođenje sistema za skladištenje energije bi bilo neophodno od 2020. godine kada se prema Strategiji energetike predviđa 500 MW VE, 200 MW malih HE i 10 MW solarnih elektrana U slučaju kada se obnovljivi izvori energije koriste za napajanje potrošnje u domaćinstvu koje je priključeno na distrubutivnu mrežu, skladištenje energije nije potrebno U slučaju korišćenja OIE za napajanje izolovanih potrošača, neophodna je primena sistema za skladištenje energije

PV sistemi su pogodni za pokrivanje dnevnog pika dijagrama potrošnje, međutim prekomerno pokrivanje potrošnje u toku dana suočava konvencionalne izvore energije sa oštrim večernjim pikom Slika 3.4: Uticaj proizvodnje PV sistema na dnevni dijagram potrošnje 1 - bez proizvodnje PV sistema, 2 - sa 5% učešća PV sistema u ukupnoj proizvodnji 3 - sa 15% učešća PV sistema u ukupnoj proizvodnji

Korišćenje solarnih sistema za napajanje izolovanih potrošača zahteva dimenzionisanje sistema za najnepovoljniji mesec (decembar) ili primenu sezonskog skladištenja energije Slika 3.5: Mesečne potrošnje električne energije u Srbiji i očekivane mesečne proizvodnje PV elektrane instalisane snage 500 kW

Korišćenje vetroagregata: dobra korelisanost dijagrama proizvodnje sa dijagramom potrošnje na sezonskom nivou, ali loša na dnevnom nivou Slika 3.5: Mesečne potrošnje električne energije u Srbiji i normalizovane mesečne proizvodnje vetroelektrane

Slika 3.5: Dnevni dijagram potrošnje električne energije u Srbiji i normalizovana proizvodnja vetroelektrane u toku dana

Kod korišćenja solarnih termalnih sistema za zagrevanje vode, u periodima sa niskom solarnom iradijacijom neophodno je imati: - konvencionalni sistem za grejanje vode, ili - sistem za skladištenje tople vode u rezervoaru sa toplotnom izolacijom Solarni sistemi za grejanje prostorija: - medijum za skladištenje toplote: rezervoar tople vode, Trombe-ov zid - manje su efikasni od sistema za grejanje vode: zbog primene samo u grejnoj sezoni i zbog toga što se zahteva znatno veći rezervoar za skladištenje toplotne energije

Skladištenje energije i transport Razvoj transpornog sektora: potreba za alternativnim gorivom i skladištenjem tog goriva, najveći napori su učinjeni u razvoju električnih vozila (EV) i novih akumulatorskih baterija Sistem za skladištenje energije kod vozila mora biti: - siguran, jednostavan za rad i sa jednostavnim punjenjem energijom - sa medijumom za skladištenje koji ima veliku gustinu energije Velika gustina energije u benzinu – osnovni razlog zašto vozila sa alternativnim gorivima nisu u komercijalnoj upotrebi: - rezervoar benzina od 40 cm3 sadrži oko 400 kWh skladištene hemijske energije i omogućava vozilu da pređe 200-500 km - olovne akumulatorske baterije iste zapremine sadrže oko 10 kWh skladištene hemijske energije i omogućavaju vozilu da pređe 20-40 km - Tesla model S sadrži baterije od 85 kWh omogućavaju vozilu da pređe 510 km Cena EV bez akumulatorske baterije – praktično ista kao i cena konvencionalnog vozila, razliku pravi cena baterije

Nedostaci baterija za električna vozila: - veliki investicioni troškovi - nedostatak servisnih stanica za zamenu baterija Njihova komercijalna primena izvesna u budućnosti zbog: - njihove velike efikasnosti - rasta cene benzina Moguća primena za povećanje minimuma bazne proizvodnje u EES-u, uštede u ukupnoj potrošnji primarne energije

Dinamičke primene sistema za skladištenja energije U slučaju kada TE moraju da se koriste za ostvarivanje dovoljnog kapaciteta rotirajuće rezerve, neophodno je da snaga ovih elektrana bude manja od nominalne (3-5%), što smanjuje njihovu efikasnost Sistem za skladištenje energije može preuzeti ulogu rotirajuće rezerve praćenjem promena potrošnje i održavanjem frekvencije u sistemu U slučaju kada havarijska rotirajuća rezerva nije dovoljna da održi dinamičku stabilnost EES-a pri ispadima velikih proizvodnih jedinica, uključenjem sistema za skladištenje energije može se izbeći isključenje potrošača ili kolaps EES-a Većina tipova sistema za skladištenje energije imaju mogućnost brzog uključenja a isto tako, ako rade u režimu punjenje i mogućnost trenutnog isključenja iz EES-a