1

ŠIUOLAIKINIAI ELEKTROS ENERGIJOS KAUPIKLIAI

V. AdomavičiusKauno technologijos universitetas

AnotacijaStraipsnyje apžvelgti pagrindiniai elektros energijos kaupimo būdai, kurie šiuo daugiausiai metu naudojami energetikos ir transporto sektoriuose, pateikti svarbiausi jų parametrai ir charakteristikos. Taip pat pateikta informacijos apie energijos kaupiklių taikymo sritis priklausomai nuo jų parametrų ir savybių, įvairios energijos kaupimo technologijos palygintos tarpusavyje, panagrinėtos energijos kaupiklių parametrų pagerinimo ir elektros energijos kaupimo technologijų plėtros perspektyvos. Išnagrinėtos galimos energijos kaupimo priemonių taikymo sritys ir šių technologijų plėtros perspektyvos Lietuvoje artimiausiu laiku.PAGRINDINIAI ŽODŽIAI: elektros energijos kaupikliai, hidroakumuliacija, suspausto oro energijos kaupyklos, akumuliatorių baterijos, srautinės baterijos, smagratiniai energijos kaupikliai, superkondensatoriai, superlaidininkų magnetinės energijos kaupikliai, mikrotinklai, atsinaujinančiųjų energijos išteklių technologijos.

AbstractThe article reviews the main power storage modes and equipment, which currently are used in power engineering and transport vehicles. The main parameters, characteristics of the power storage means and areas of their application depending on their properties are presented and discussed. Parameters of the power storage means and various power storage technologies are compared. Possibilities and prospects of improvement of power storage means parameters, as well as further development of power storage technologies are discussed. Potential chances of application and development of power storage means in area of power engineering in Lithuania are analysed.KEY WORDS: power storage, hydro pumped power storage, compressed air power storage, batteries, flow batteries, flywheels, supercapacitors, superconducting magnetic energy storage, microgrids and renewable energy technologies.

Įvadas

Šiuo metu didelės galios ir didelės talpos elektros energijos kaupikliai elektros energetikos sistemose (EES) palyginti dar mažai naudojami. Bendra viso pasaulio elektros energijos kaupiklių galia šiuo metu sudaro tiktai apie 110 GW, iš kurių apie 99 % sudaro hidroakumuliacinės elektrinės. Tačiau energijos kaupiklių poreikis gana greitai didėja dėl sparčios atsinaujinančiųjų energijos išteklių (AEI) elektrinių plėtros [1, 2, 3, 4, 5], ypač vėjo elektrinių (VE).

Elektros energijos kaupiklių įrengimas energetikos sistemoje pasidaro aktualus tuomet, kai AEI naudojančių elektrinių (vėjo ir saulės) skverbtis pagal suvartojamąją energiją viršija 15-20 %. Jau netolimoje ateityje įvairių tipų elektros energijos kaupikliai bus neatskiriama sumaniųjų (intelektualiųjų) elektros tinklų dalis. Galių balansavimui, be energijos kaupiklių, bus naudojamas visas kompleksas priemonių - daugiafunkciniai elektros skaitikliai (smart meters), informacinės ir ryšių technologijos bei naujausios šios įrangos valdymo programos. Jos tarnaus tam, kad elektros energijos tiekimas būtų patikimas, energiją bei aplinką tausojantis ir ekonomiškai efektyvus. Šiomis priemonėmis bus pasiektas didesnis elektros tinklo lankstumas energijos vartotojų poreikių atžvilgiu ir bus jautriau reaguojama į galimus elektros gamintojų tiekiamos energijos galios svyravimus. Elektros tinklas bus lengvai prieinamas visiems energijos vartotojams bei energijos gamintojams, o ypač daugybei mažųjų elektrinių.

Toliau pateikta informacija apie svarbiausias energijos kaupimo technologijas daugiau dėmesio skiriant brandesnėms, bet Lietuvoje dar mažiau žinomoms ir užsienio šalyse elektros energetikoje jau naudojamoms technologijoms.

1. Esamos elektros energijos kaupimo technologijos, jų funkcijos ir taikymo sritys

Elektros energijos kaupiklių technologijos pagal jų paskirtį gali būti suskirstytos į tris toliau čia išvardinamas funkcines kategorijas.

Elektros kokybės užtikrinimo - tokie kaupikliai gali aprūpinti energija sekundės ar mažesniame laikotarpyje, kai reikia nenutrūkstamo elektros kokybės pastovumo.

Trumpalaikės perjungimo energijos - tokie kaupikliai vartotojus gali aprūpinti energija per laikotarpius, kurie trunka nuo sekundžių iki minučių. Jie naudojami tuo tikslu, kad būtų galima perjungti elektros tiekimą nuo vieno šaltinio prie kito nenutraukiant elektros tiekimo.

Energijos valdymo - tokiuose kaupikliuose energija kaupiama, kad elektros energijos gamyba nebūtų priklausoma nuo jos vartojimo. Paprastai kaupikliai įkraunami, kai energija pigi, o sukaupta energija naudojama tuomet, kai to reikia. Tokiu būdu elektros vartotojas gali nepriklausyti nuo energetikos sistemos keletą valandų.

Visų elektros energetikai tinkamų energijos kaupiklių privalumai ir trūkumai toliau išvardinti 1 lentelėje pagal technologijas. Lentelėje technologijų naudojimo tinkamumas pažymėtas tokiu būdu:

be žymės - naudoti neįmanoma arba ekonomiškai neverta,

2

E l e k t r o s e n e r g i j o s k a u p i k l i ų p r i v a l u m a i i r t r ū k u m a i

- naudoti galima ir tikslinga,: ■ - šiam tikslui naudoti galima,| | - naudoti

įmanoma, bet praktiškai ar ekonomiškai netikslinga.

Hidroakumuliacinės elektrinės yra viena iš seniausių elektros energijos kaupimo ir regeneravimo technologijų, kurios naudojamos jau daugiau kaip 100 m. Be jos, per paskutiniuosius 10-20 buvo kuriami ir tobulinami įvairūs nauji elektros energijos kaupikliai, kurie šiuo metu komercializuojami arba yra netoli šios ribos. Šios sąlyginai naujos elektros energijos kaupimo ir regeneravimo technologijos skiriasi savo ekonominiu ir techniniu efektyvumu. Šiuo metu pagrindinėmis elektros energijos kaupimo technologijomis yra laikomos šios [5, 6, 7, 8, 9]:

• hidroakumuliacinės,• suspausto oro,• įvairių tipų baterijų (akumuliatorių),• vandenilio,• superkondensatorių,• magnetinės energijos superlaidininkuose,• regeneracinės elektrocheminės,• smagratinės.

2. Hidroakumuliacinės energijos kaupyklosGeriausiai žinomos ir didžiojoje energetikoje taikomos energijos kaupimo technologijų yra hidroakumuliacinės

elektrinės (HAE). Jos yra geriausiai įsisavintos ir techniškai ištobulintos.

Kaupimotechnologija

Pagrindiniai pranašumai Pagrindiniai trūkumai Ciklo n.k.., % Taikomagaliai

Taikomaenergijai

HAE Didelė galia, maža kaina Reikia tinkamos vietovės 67-73Suspausto oro Didelė galia, maža kaina Reikia tinkamos vietovės ir

dujinio kuro65-70 H

Srautinės baterijos: PSB, VRB, ZnBr

Didelė galia, nepriklauso galia nuo energijos

Mažas energijos tankis 60-75 : mMetalo-oro baterijos Labai didelis energijos

tankisSunki elektros įkrova ~50 m

NaS baterijos Dideli galios ir energijos tankiaiDidelis efektyvumas

Brangi gamyba Pavojus saugumui

80-90 - -Li-jonų baterijos Dideli galios, energijos

tankiai ir efektyvumasBrangi gamybaReikia specialios įkrovimoschemos

90-95 ■ □

NiCd baterijos Dideli galios, energijos tankiai ir efektyvumas

60-70 H : ■NiMH baterijos Didelis efektyvumas ir

galios tankis, maža kainaNedidelis energijos tankis 80-90 H : ■

Rūgštinės švino bat. Maži kapitaliniai kaštai Mažas įkrovos/iškrovos ciklų skaičius, kai gilios iškrovos

50-75 H □SEK Didelė galia Mažas energijos tankis 85-95 i iSMEK Didelė galia Mažas energijos tankis Brangi

gamyba95 m

Superkondensatoriai Didelis įkrovos/iškrovos ciklų skaičius, didelis efektyvumas

Mažas energijos tankis 95-97 - : ■Vandenilio

kaupikliaiNeribotas sukauptos energijos kiekis

Dar brangios ir nebrandžios technologijos, mažas ciklo efektyvumas

35-50 - : ■

1 lentelė

3

Pirmosios HAE pardėjo veikti Italijoje ir Šveicarijoje paskutiniame XIX a dešimtmetyje. Didelės galios HAE pasaulyje yra nedaug. Daugiau kaip 1000 MW galios hidroakumuliacinių elektrinių šiuo metu priskaičiuojama 40: Japonijoje -12 , JAV - 9, Italijoje - 4, Rusijoje - 3, Vokietijoje, Kinijoje, Taivanyje - po 2, JK, Prancūzijoje, Australijoje, Pietų Afrikos respublikoje, Irane, Liuksemburge - po 1 [9]. Šiuo metu pasaulyje veikia daugiau kaip šimtas HAE, o jų bendroji galia sudaro daugiau apie 110 GW. Tipinis hidroakumuliacinių energijos kaupyklų viso ciklo naudingo veikimo koeficientas yra 67-73 %. Tai reiškia, kad HAE, dirbdama elektros energijos generavimo režimu, į elektros tinklą gali grąžinti iki 73 % elektros energijos, kuri buvo sunaudojo vandens siurbliai elektrinei dirbant energijos kaupimo režimu. Pagrindinis anksčiau statytų HAE trūkumas yra tas, kad jos į elektros tinklą atiduodamą galią negali reguliuoti tolygiai ir su geru hidroagregatų naudingo veikimo koeficientu elektros generavimo režime. Todėl jos negali labai efektyviai dalyvauti galių balansavimo ir rezervavimo procesuose energetikos sistemos elektros tinkle. Kuriami ir jau naudojami plačiose ribose švelniai reguliuojami hidroagregatai, dirbantys su geresniu naudingo veikimo koeficientu visame jų darbo intervale.

3. Suspausto oro energijos kaupyklos

Suspausto oro energijos kaupyklos gali būti didelės įkrovos talpos ir mažos įkrovos talpos. Pirmosios naudojamos energetikoje, o mažosios - įvairiose technologijose bei transporte. Šiose energijos kaupimo sistemose elektros varikliai, naudodami perteklinę elektros tinklo ar vėjo elektrinių parko energiją, suka kompresorius, kurie spaudžia orą uždarame dirbtiniame (mažose kaupyklose) arba natūraliame rezervuare (didelėse užsandarintose uolų ertmėse, šachtose). 1 m3 galima sukaupti apie 5 kWh energijos, kai minimalus slėgis yra 8274 kPa [9]. Viena iš didžiausių suspausto oro energijos kaupyklų yra įrengta JAV senose šachtose. Ji dirba kartu su dideliu vėjo elektrinių parku, kurio įrengtoji galia 300 MW. Kai energetikos sistemos tinkle galios netrūksta, o vėjas tuo metu pučia, tai vėjo elektrinių energija naudojama orui suspausti. Piko valandomis suspaustas oras kartu su degančiomis gamtinėmis dujomis leidžiamas per aukšto arba žemo slėgio turbinas. Turbinos suka elektros generatorius, kurių gaminama energija tiekiama į elektros tinklą. Suspausto oro energijos kaupimo sistemos blokinė schema pateikta 1 paveikslėlyje.

Kai elektros energetikos sistemos tinkle (EEST) yra atliekamos galios, elektros mašina V-G dirba variklio režimu. Tuomet variklis ima iš elektros tinklo vėjo ar kito tipo elektrinėse pagamintą atliekamą elektros energiją ir per 1 sankabą suka kompresorių, kuris iš atmosferos imamą orą spaudžia į rezervuarą. Kai elektros tinkle trūksta galios, 1 sankaba atjungiama, o vietoje jos įjungiama 2 sankaba. Po to paleidžiama turbina, kuri suka elektros mašiną V-G, kuri šiuo atveju jau dirba generatoriaus režimu. Gauta elektros energija tiekiama į EEST.

4. Baterijos (akumuliatoriai)

Vienos iš brangiausių energijos kaupimo technologijų šiuo metu yra energijos kaupimas baterijose (angliškuose informacijos šaltiniuose akumuliatoriai vadinami įkraunamomis baterijomis - rechargeable batteries). Be senai žinomų švino rūgštinių baterijų energetikoje jau pradėtos naudoti ličio-jonų (Li-jonų), natrio- sieros (NaS), nikelio-kadmio (NiCd), nikelio-metalų hidridų (NiMH) ir kitos baterijos. Laikoma, kad baterinių energijos kaupiklių technologijos jau yra sukurtos, jos yra pakankamai brandžios ir jų galima įsigyti rinkoje [9]. Būdingas baterinių energijos kaupiklių bruožas yra labai geras viso ciklo efektyvumas - tik švino rūgštinių ir

1 pav. Suspausto oro energijos kaupimo sistemos blokinė schema

4

NiCd baterijų efektyvumas yra žemesnis (apie 60-75 %), o kitų minėtų tipų efektyvumas siekia apie 80-90 % ir daugiau.

Iš baterijų sudaryti pakankamai didelės įkrovos ir galios kaupikliai energetikoje naudojami galios kokybei gerinti, atsinaujinančiosios energijos elektrinėms rezervuoti, apkrovai išlyginti, energijos perdavimo stabilumui palaikyti, pikinei energijai generuoti. Jie gali būti naudojami įvairiuose elektros energijos tiekimo tinklo lygmenyse.

Įvairių tipų bateriniai energijos kaupikliai buvo labai žymiai patobulinti per pastaruosius keletą metų ir šis procesas vyksta toliau. Naudojant nanotechnologijas JAV neseniai sukurti ženkliai pigesni Li-sieros akumuliatoriai, kuriuos bus galima įkrauti apie 3 kartus daugiau elektros energijos, negu į dabar naudojamus tokio paties tūrio Li-jonų akumuliatorius. Šioje srityje dirbantys mokslininkai prognozuoja, kad baterijų (akumuliatorių) energijos tankis naudojant nanotechnologijas gali padidėti kartais (iki 1-4 kWh/kg) lyginant su dabartiniais rodikliais, o jų kaina žymiai sumažės.

5. Vandenilio energijos kaupimo sistemos

Vandenilio energijos kaupimo sistemos gali naudoti atliekamą elektros energiją, gaunamą iš vėjo, saulės elektrinių ar iš elektros energetikos sistemos tinklo, kai jame susidaro galios perteklius, ir gaminti vandenilį elektrolizės būdu [9, 14]. Pagamintas vandenilis kaupiamas ir vėliau gali būti naudojamas įvairiose srityse, tačiau pagrindinės sritys yra transportas ir elektros energetika. Kai energetikos sistemoje galios trūksta, vandenilį galima konvertuoti atgal į elektros energiją naudojant kuro elementus ir puslaidininkinius galios keitiklius [14].

Kuro elementai (KE) šiuo metu dar yra pakankamai brangūs (priklausomai nuo jų tipo ir galios svyruoja apie 1 500 - 5 000 JAV$/kW). Stacionariųjų KE gamyba kol kas dar mažai išplėtota (įvairių tipų kuro elementų nuo 5 iki 5 000 kW galios pasaulyje šiuo metu pagaminama iki 200 000 vnt. per metus). Jau netolimoje ateityje (po 2012 m.) prognozuojamas ženklus jų kainos kritimas iki 1 000 - 2 000 $/kW ir masinė gamyba milijonais ir dešimtimis milijonų vienetų per metus. Kol kas elektros energijos kaupimas vandenilio pavidalu ir jos regeneravimas kuro elementuose yra mažai efektyvi ir šiuo metu dar brangi technologija. Vandenilio kaip elektros energijos kaupiklio viso ciklo (kintamoji srovė/nuolatinė srovė/vandenilis/nuolatinė srovė/kintamoji srovė) efektyvumas tesiekia 35-50 %. Tačiau ir kuro elementų srityje yra labai reikšmingų pasiekimų, kurie gali vesti prie didelių proveržių kuriant žymiai efektyvesnes vandenilio technologijas. Ispanijos Complutence de Madrid universiteto mokslininkai sukūrė naują medžiagą KE membranoms gaminti, kuri yra nebrangi, pasižymi labai geru jonų pralaidumu žemoje temperatūroje, artimoje kambario temperatūrai. Jų gautus rezultatus patikrino ir patvirtino JAV Oak Ridge nacionalinės laboratorijos mokslininkai. Todėl netolimoje ateityje galima tikėtis didelės pažangos ir KE srityje.

Vandenilio energijos kaupimo ir regeneravimo sistemos blokinė schema pateikta 2 paveikslėlyje.

5

KS

Lygintuvas KS / NS

NS

02 i--------------------AtmosferaVandenilio

generatoriusDistiliuotas

H2O

H2

InverterisNS/KS

t kNS

^ Kuro elementai t'

i/

1KS

Oras

H2

EEST

-V sH20 ir šiluma

H2 talpa Reduktorius

6

Kompresorius

7

8

2 pav. Vandenilio energijos kaupimo ir regeneravimo sistemos blokinė schema

Kaip parodyta šiame paveikslėlyje, kai EEST generuojama per didelė galia (tinkle yra galios perteklius), tai elektros energiją galima panaudoti vandeniliui gaminti ir jį kaupti. Šiuo atveju iš EEST imama kintamoji elektros srovė KS, kuri išlyginama į nuolatinę srovę, naudojamą vandenio generatoriuje elektrolozės būdu iš distiliuoto vandens gaminti vandenilį. Gautą vandenilį kompresorius suspaudžia į jam skirtą talpą. Šalutinis vandenilio gamybos proceso produktas deguonis išleidžiamas į atmosferą.

Kai EEST trūksta galios, tai iš H2 talpos per reduktorių vandenilis kartu su atmosferos oru tiekiamas į kuro elementus, kurie gamina nuolatinės srovės (NS) elektros energiją. Kad gautą elektros energiją būtų galima tiekti į EEST ir plačiai naudoti, inverteris ją pakeičia į kintamosios srovės (KS) energiją, tiekiamą į elektros tinklą.

9

6. Superkondensatoriai

Elektrocheminiai dvigubo sluoksnio kondensatoriai arba superkondensatoriai (EC capacitors, supercapacitors) pasižymi labai didele talpa ir siekia iki 5000 faradų. Jie yra vieni iš efektyviausių energijos kaupiklių, kurių viso ciklo nuo elektros energijos sukaupimo iki jos grąžinimo į šaltinį (round trip efficiency) naudingo veikimo koeficientas viršija 95 % [9, 14]. Šiuo metu jie turi patį didžiausią galios tankį iš visų elektros energijos kaupiklių - nuo 1 iki 10 kW/kg. Superkondensatoriuose sukauptos energijos tankis yra nedidelis, todėl elektros energetikos sistemose plataus tiesioginio pritaikymo jie dar neturi. Manoma, kad ateityje elektromobiliuose ir hibridiniuose automobiliuose jie gali pakeisti akumuliatorius. Gaminami didelės iškrovos galios ir trumpo iškrovos laiko superkondensatoriai (nuo 10 kW iki 1-2 MW, iškrovos laikas - apie sekundę), taip pat didelės energijos įkrovos superkondensatoriai (iškrovos laikas - nuo minučių iki valandos, o galia - nuo kelių kW iki ~ 200kW).

3 paveikslėlyje pateikta elektros energijos kaupimo ir regeneravimo blokinė schema su superkondensatoriumi.

Kadangi energetikoje naudojami superkondesatoriai įkraunami nuolatine srove, tai, kaip parodyta paveikslėlyje, šioje elektros energijos kaupimo sistemoje reikalingas lygintuvas, kuris kintamąją srovę (KS) paverčia nuolatine srove (NS). Kai sukauptą elektros energiją reikia grąžinti į EEST, tai reikalingas inverteris, kuris atlieka atvirkščią veiksmą - nuolatinės srovės energiją paverčia į standartinių ir stabilių parametrų kintamosios srovės energiją, tinkamą tiekti į elektros tinklą.

7. Superlaidininkų magnetinės energijos kaupikliai

Superlaidininkų magnetinės energijos kaupikliuose (SMEK) energija sukaupiama didelėse magnetinėse ritėse, per kurias paleidžiama nuolatinė srovė. Magnetinė rite yra atšaldoma skystu heliu arba azotu iki superlaidumo, todėl nuostolių ritėje praktiškai nėra. Po 2-3 % nuostoliai gaunami lygintuve ir inverteryje, kuris įsijungia, kai elektros energiją reikia grąžinti į kintamosios srovės tinklą. Bendras viso ciklo naudingo veikimo koeficientas yra labai aukštas - 95 %. Šioje energijos kaupimo sistemoje nėra judančių dalių, todėl jos veikimo patikimumas yra labai didelis.

Superlaidininkų magnetinės energijos kaupikliai yra efektyvios ir perspektyvios elektros energijos kaupimo priemonės. Pirmosios studijos apie SMEK pasirodė apie 1970 metus.

SMEK turi panašias taikymo sritis kaip ir smagratiniai energijos kaupikliai: rezerviniai maitinimo šaltiniai (UPS) ir impulsiniai didelės galios šaltiniai kintamosios srovės perdavimo elektros tinkluose [6, 16] (FACTS - Flexible AC Transmission System). Elektros tinkluose SMEK naudojamos trumpalaikiam elektros energijos kaupimui ir jos grąžinimui į elektros tinklą - elektros energijos kokybei pagerinti prie elektrinių traukinių pastočių, didelių gamyklų, kuriose labai dideliais šuoliais kinta iš elektros tinklo imama galia arba kuriose elektros energijos kokybei keliami griežti reikalavimai. SMEK elektros tinkluose gerai tinka gesinti trumpalaikius įtampos švytavimus, kurie gali sukelti pavojų tinklo darbo stabilumui [6]. Pagrindinis SMEK pranašumas prieš kitas energijos kaupimo priemones yra tas, kad jie sistemai per labai trumpą laiką gali suteikti aktyviosios ir reaktyviosios galios injekcijas ir tuo pagerinti sistemos dinamiką [16]. Dažniausiai naudojamos kelios SMEK, dirbantys lygiagrečiai (SMEK baterija). SMEK pasižymi labai geromis dinaminėmis savybėmis - laikas tarp įkrovos ir iškrovos gali būti labai trumpas [6, 9, 16].

Šiuo metu didžiausių SMEK įkrovos talpa siekia 20 MWh, o momentinė galia - iki 400 MW 100 sekundžių laikotarpyje arba 10 MW 2 valandų laikotarpyje. Prognozuojama, kad SMEK energetikos sistemose ateityje gali įgauti platų panaudojimą, pavyzdžiui., vėjo elektrinių kintančiai galiai balansuoti. Jų platesnį panaudojimą riboja didelės SMEK kainos [6].

Supaprastinta SMEK elektrinė schema pavaizduota 4 paveikslėlyje.SMEK dirba trijuose darbo režimuose: elektros energijos įkrovimo, energijos cirkuliavimo uždara grandine ir

energijos iškrovimo (atidavimo į elektros tinklą). SMEK ritės įkrovimo, energijos cirkuliavimo ir iškrovimo procesai vyksta grandinėmis, kurios pavaizduotos 5 paveikslėlyje.

Ritės įkrovimo grandinė: „+“^-S^VT1^L^VT2^-„-“Energijos cirkuliavimo grandinė: L ^ VD1 ^ VT1 ^ L .Ritės iškrovimo grandinė: „-“^■VD2^L^-VD1^-S^-„+“.

EEST

3 pav. Elektros energijos kaupimo ir regeneravimo sistemos su superkondensatoriumi blokinė schema

10

SMEK ritės laidininkas gaminamas iš NbTi (Nobio-Titano). Ritė laikoma kriostate, kuriame automatiškai palaikoma žema temperatūra (apie 4 F).

4 pav. Supaprastinta SMEK elektrinė schemaET - elektros tinklas, TR - transformatorius, LI - lygintuvas - inverteris, L - superlaidi ritė, KŠS - kriostatas ir šaldymo

sistema, I rite tekanti nuolatinė srovė.

SMEK ritės įkrovimo ir iškrovimo schema pateikta 5 paveikslėlyje.

JAV per pastaruosius keletą metų SMEK tapo viena iš pagrindinių priemonių apsaugoti energetikos sistemos perdavimo tinklą nuo nestabilaus darbo ir avarijų. SMEK valdomas taip, kad tinkamu momentu iš elektros tinklo jis gali imti aktyviąją arba reaktyviąją elektros energiją arba, kai reikia, vieną ar kitą elektros energijos rūšį tiekti į elektros tinklą.

8. Srautinės baterijos

Viena iš perspektyvių energijos kaupimo ir regeneravimo technologijų yra srautinės baterijos, kurių veikimas pagrįstas elektrocheminiu energijos kaupimu. Ši technologija jau naudojama didelės galios akumuliacinėse elektrinėse su regeneraciniais elektrocheminiais kaupikliais, kurių pagrindiniai įrenginiai yra srautinės baterijos (flow batteries), sudarytos iš elektrocheminių celių ir skirtos elektrolitams įkrauti ir iškrauti,

5 pav. SMEK ritės įkrovimo ir iškrovimo schema L - kriostate patalpinta SMEK ritė, S - jungiklis, C - kondensatorius,

VD1-VD2 - atbuliniai diodai, VT1-VT2 - tiristoriai.

6 pav. Akumuliacinės elektrinės su srautine baterija struktura

11

dvi didelio tūrio talpos teigiamai ir neigiamai įkraunamiems elektrolitams laikyti ir du siurbliai tiems elektrolitams varinėti. Tokiose elektrinėse elektros energija dideliais kiekiais efektyviai paverčiama į potencinę cheminę energiją, sukaupiamą dviejuose skirtingos cheminės sandaros elektrolituose, kur ji gali būti ilgai išlaikoma su labai mažu savaiminiu išsikrovimu. Naudojant tą pačią srautinę bateriją, cheminė energija bet kuriuo metu, priklausomai nuo poreikio, vėl gali būti operatyviai regeneruojama į elektros energiją. Iškrovimo proceso metu sukaupta potencinė cheminė energija pradžioje regeneruojama į nuolatinės srovės elektros energiją, kuri po to, naudojant nuolatinės/kintamosios srovės keitiklį (NS/KS), paverčiama į standartinių parametrų kintamosios srovės energiją. Kintamosios srovės energija tiekiama elektros energijos imtuvams arba į energetinės sistemos elektros tinklą.

Šiuo metu tobulinamos kelių tipų srautinės baterijos, tarp kurių žinomiausios yra cinko bromido, vanadžio redokso ir natrio bromido. Bandomųjų regeneracinių elektrocheminių energijos kaupyklų galia siekia dešimtis MW, o įkrovos talpa - šimtus MWh. Informacijos šaltiniuose [2, 5, 10, 11, 12, 13, 14, 15] akcentuojamos perspektyvios šio energijos kaupimo būdo naudojimo galimybės atsinaujinančiosios energijos elektrinėse ir energetikos sistemoje, kurioje šiuo būdu galima ženkliai padidinti įrengtųjų elektrinių galių išnaudojimo koeficientą.

Elektros energijos kaupimo sistemos su srautinėmis baterijomis turi šias teigiamas savybes:• gali stabiliai ir patikimai veikti natūralioje aplinkos temperatūroje,• pasižymi gana aukštu viso ciklo efektyvumu,• turi perspektyvią kainos dinamikos tendenciją,• sukaupiamas energijos kiekis priklauso tik nuo elektrolitų tūrio bei jų koncentracijos, o mažai priklauso nuo srautinės baterijos galios,• saugiai pakelia perkrovas ir visišką elektrolito iškrovimą.

Kaupiklio su srautine baterija veikimas, savybės ir naudojimo galimybėsAkumuliacinės elektrinės su srautine baterija, per kurią teka natrio bromido/tribromido ir natrio sulfido/polisulfido

elektrolitai, struktūra parodyta 3 paveikslėlyje. Ši elektros energijos kaupimo sistema sudaryta iš pačios srautinės baterija SB, teigiamai įkraunamo elektrolito talpos EL1, neigiamai įkraunamo elektrolito talpos EL2, elektrolitų siurblių S1 ir S2.

Į šią struktūrą gali įeiti viena arba kelios atsinaujinančiosios energijos ištekli elektrinės (vėjo, saulės, hidro ir kt.), kurios dažnai gamina nestandartinių ir nestabilių parametrų elektros energiją, todėl dar netinkamą tiekti tiesiog į elektros energetikos sistemos tinklą (EEST). Kaip parodyta 6 paveikslėlyje, nuolatinės arba kintamos srovės elektros energija, gaunama, pavyzdžiui, iš saulės elektrinių fotoelektros modulyno FEM, iš vėjo VE, hidroelektrinių arba elektros tinklo maitina srautinę bateriją SB, kuri įkrauna (kai elektros energija kaupiama) arba iškrauna (kai elektros energija regeneruojama) pro siurbliais P1, P2 pravaromus elektrolitus.

Įkrautus elektrolitus galima bet kada iškrauti, kai tik atsiranda elektros energijos poreikis. Iškrovimo procese įkrautiems elektrolitams tekant per srautinę bateriją vyksta atvirkščia cheminė reakcija: įkrautų elektrolitų cheminė energija jonams migruojant per baterijos polimerinę membraną pakeičiama į elektros energiją. Srautinės baterijos elektroduose ir atsiranda nuolatinės srovės įtampa, kurią puslaidininkinis galios keitiklis pakeičia į pramoninio stabilaus dažnio standartinių parametrų kintamosios srovės energiją, tinkamą naudoti vietoje ar tiekti į EEST.

12

(1)

13

Šioje srautinėje baterijoje naudojami natrio bromido/tribromido ir natrio sulfido/polisulfido tirpalai bei metalų ar anglies-poliolefinių kompozitų, įdėtų specialiuose rėmeliuose, elektrodai. Naudojamų tirpalų (elektrolitų) įkrovimo-iškrovimo cheminės reakcijos aprašomos taip:

3NaBr + Na2S4 2 NaBr3 + 2Na2S2

Be elektrocheminių energijos kaupiklių su cirkuliuojančiais natrio bromido/tribromido ir natrio sulfido/polisulfido elektrolitais, įvairiose šalyse (JAV, Anglija, Japonija, Kanada, Australija, Kinija ir kt.) gaminamos ir tobulinamos srautinės baterijos, kuriose naudojami kitų tipų elektrolitai.

Vadinamosios redokso baterijos “Vanadium redox flow battery” (angliška santrumpa VRB) buvo pasiūlytos dar 1985 metais Skyllas-Kazacos su bendradarbiais. Šiuo metu Japonijoje, JAV, Kanadoje, Australijoje jau veikia keletas demonstracinių tokio tipo kaupiklių, kurių galia siekia nuo 50 iki 1000 kW [10, 11, 12]. Šio tipo srautinėse baterijose naudojami elektrolitai, sudaryti iš skirtingų oksidacijos laipsnių vanadžio druskų tirpalų 2-3 mol/l sieros rūgštyje.

VRB tipo kaupikliai turi šias teigiamas savybes [14]:S jų tarnavimo laikas labai ilgas ir įkrovimo-iškrovimo ciklų skaičius didelis, nes elektrolitai (katolitas ir anolitas)

sudaryti iš skirtingų oksidacijos laipsnių vanadžio jonų sieros rūgšties tirpaluose, todėl nevyksta savaiminis išsikrovimas ir elektrolitų nusodinimas. Be to, tinka įprastos chemijos pramonėje naudojamos medžiagos ir įrengimai: siurbliai, vamzdžiai, sandarikliai ir t.t.,

S jų sistemos gana paprastai įrengiamos,S jie pasižymi labai mažais sukauptos energijos nuostoliais, kai ji nenaudojama,S sukauptos energijos kiekis didinamas didinant rezervuarų su elektrolitais talpą, o reikalinga įtampa gaunama

jungiant nuosekliai pakankamą VRB celių skaičių,S įkrauti elektrolitai laikomi atskirai teigiamo ir neigiamo krūvio rezervuaruose,S jie gali būti labai greitai įjungiami dirbti ir tiekti elektros energiją paleidus elektrolitų cirkuliacinius siurblius,S jie yra gana saugūs aplinkos ir aptarnaujančio personalo atžvilgiu, todėl elektrolitų talpyklos gali būti įrengiamos

pastatų rūsiuose,S jie turi plačias pritaikymo galimybes: energijos kaupimo ir regeneravimo ciklo efektyvumas siekia apie 70%

įvertinant pagalbinę įrangą ir energijos nuostolius keitikliuose,S jie yra pakankamai ilgaamžiai: atlaiko apie 1500 įkrovimo/iškrovimo ciklų, kas vidutiniškai atitinka 10 metų

darbo laiko.VRB sistemos vanadžio elektrolitai gali būti naudojamas praktiškai neribotą laiką. Naudotą elektrolitą galima

filtruoti ir naudoti pakartotinai. Švedijoje atlikti tyrimai parodė, kad aplinkos taršos požiūriu VRB srautinės baterijos yra žymiai pranašesnės už klasikines švino-rūgštines baterijas [14].

Daugiau informacijos apie srautines baterijas yra pateikta straipsniuose [14, 15].

9. Smagratiniai energijos kaupikliai

Pirmieji žinomi smagratiniai energijos kaupikliai buvo naudojami molinių puodų žiedimo įrenginiuose. Dabar naudojami smagratiniai energijos kaupikliai (SEK) energiją sukaupia besisukančio smagračio kinetinės energijos forma. Energijai sukaupti smagratį įsukanti elektros pavara energiją ima iš elektros tinklo. Kai reikia energiją gražinti į tinklą, smagratį įsukęs variklis pradeda dirbti generatoriumi, kuris per elektros energijos konversijos sistemą smagratyje sukauptą energiją grąžina į elektros tinklą.

Šiuolaikiniai smagratiniai energijos kaupikliai naudojami daugelyje sričių - transporte, kaip rezerviniuose elektros energijos šaltiniuose (UPS), energetikoje ir kitur. Jie pasižymi ilgu darbo amžiumi, aukštu viso ciklo naudingo veikimo koeficientu (85-95 %), dideliais įkrovos ir iškrovos greičiais (1-30 s). Lyginant su pačių energetinių parametrų akumuliatoriais ir baterijomis, SEK užima 5-10 kartų mažiau vietos, yra 5-10 kartų patikimesnės ir turi praktiškai neribotą energijos įkrovimo-iškrovimo ciklų skaičių, kai tuo tarpu akumuliatoriams šis skaičius yra gana ribotas, o jų dažnas ir gilus iškraudinėjimas trumpina jų darbo amžių. Vidutinis SEK darbo amžius yra apie 20 metų. Kaupikliai iš elektros tinklo ima tik apie 0,1-1 % savo vardinės galios. Galingiausių kaupyklų trumpalaikė į elektros tinklą atiduodama galia yra MW eilės. Kai vienos SEK nepakanka, naudojamos lygiagrečiai dirbančios kaupiklių baterijos, sudarytos nuo kelių iki kelių šimtų SEK [7].

Naujausių SEK smagračiai įsukami iki 20000-50000 aps/min. greičio, turi magnetinius guolius ir dirba vakuume, kad būtų išvengta trinties nuostolių guoliuose ir į orą. Energetikoje SEK turi dvi pagrindines taikymo sritis: jie naudojami kaip rezerviniai maitinimo šaltiniai arba energetikos sistemos elektros tinkle trumpalaikiams galios perkričiams, kurių trukmė skaičiuojama sekundėmis, išlyginti ir dažniui palaikyti.

14

Supaprastinta smagratinio energijos kaupyklos, kuri naudojama kaip rezervinis maitinimo šaltinis (UPS), elektrinė schema pateikta 7 paveikslėlyje. Čia energija paimama ir atiduodama į tos pačios įtampos elektros tinklą. Tokios SEK būna nedidelės galios, bet didelės energijos iškrovos trukmės (nuo minučių iki valandos). Šiuo atveju naudojamas kintamosios srovės generatorius-variklis.

Jeigu SEK naudojamas kaip rezervinio maitinimo šaltinis, tai nerekomenduojama naudoti tik jį vieną tais atvejais, kai energijos tiekimas gali nutrūkti pakankamai ilgam laikotarpiui, viršijančiam SEK galimybes. Tokiais atvejais papildomai dar naudojamos akumuliatorių baterijos ir/arba dyzelgeneratoriai priklausomai nuo reikalaujamo energijos kiekio ir jos tiekimo patikimumo.

7 pav. Supaprastinta SEK elektrinė schema su kintamos srovės elektros pavara

8 paveikslėlyje parodyta supaprastinta smagratinės energijos kaupyklos su nuolatinės srovės elektros pavara elektrinė schema, kur energija smagračiui įsukti imama iš žemesnės įtampos tinklo ir gali būti atiduodama į aukštesnės įtampos tinklą.

SEK energetikos sistemos elektros tinkle tampa labai naudingomis, kai padidėja atsinaujinančiųjų šaltinių elektrinių generuojamų galių dalis, ypač vėjo ir dalinai saulės, jei pasitaiko debesuota diena su dažnais pragiedruliais. Jos gerai tinka trumpalaikiams (sekundiniams) teigiamiems ir neigiamiems galios perkričiams elektros tinkle kompensuoti, nes tai yra labai greito reagavimo priemonė. Šio tipo SEK išvysto didelę galią, o jų sukauptos energijos iškrovos laikas skaičiuojamas sekundėmis. Galios reguliavimo efektyvumu ji pralenkia kitas tradicines galios reguliavimo priemones. Galios balansavimo būdų efektyvumo palyginimas naudojant įvairių tipų elektrines pavaizduotas 9 paveikslėlyje, kuriame idealiu šaltiniu laikomas beinertinis ir begalinės galios elektros energijos šaltinis.

Kaip parodyta 9 paveikslėlyje, greitai veikianti SEK technologija aštriems galios perkričiams aplyginti gali būti apie 20 kartų efektyvesnė, negu naudojant tradiciniais metodus (GTE ir KCE tipo elektrinių galios reguliavimą). Be to, kiekvienas DTE, GTE ir KCE tipo elektrinių galios reguliavimas nukrypstant nuo

~ 0,4 kV 50 Hz

8 pav. Supaprastinta SEK elektrinė schema su nuolatinės srovės elektros pavara

15

optimalaus jų darbo režimo didina kenksmingų išmetamų teršalų kiekį ir jų gaminamos elektros energijos kainą. Yra dar vienas neigiamas aspektas, kurį reikia įvertinti, kai naudojamas DTE, GTE ir KCE tipo elektrinių galios reguliavimas: dažnas ir nuolatinis šio tipo elektrinių galios reguliavimas sukelia paspartintą įrengimų susidėvėjimą ir gedimus.

100

90

80

70

60

50

40

3020100

16

SEK HE DTE KCEGTE

17

9 pav. Galios balansavimo būdų efektyvumo palyginimas naudojant įvairių tipų elektrinesIŠ - idealus šaltinis, SEK - smagratinė energijos kaupykla, HE - hidroelektrinė, DTE - dujų turbininė elektrinė, GTE - garo turbininė elektrinė, KCE - kombinuoto ciklo elektrinė. Šaltinis: Pacific Northwest National Laboratory, JAV.

SEK yra nepralenkiamos ir savo ekologinėmis savybėmis. 10 paveikslėlyje yra pateiktas galios balansavimo būdų taršumo CO2 išlakomis per 20 metų palyginimas naudojant įvairių tipų 20 MW galios elektrines. Šiame paveikslėlyje parodytos visos su naudojamais galios balansavimo būdais susijusios išlakos - ir tiesioginės, ir netiesioginės (įskaitant išlakas, susijusias su jų įrengimu ir eksploatavimu). Jokios tiesioginės CO2 išlakos SEK darbo metu nesusidaro - jos lygios nuliui. Apibendrinant galima teigti, kad SEK yra viena iš geriausių priemonių trumpalaikiams galios svyravimams energetikos sistemos elektros tinkle balansuoti: ji veikia labai greitai, efektyviai, patikimai ir neišmeta jokių tiesioginių aplinkai kenksmingų išlakų, tarp jų ir CO2.

600000

500000

o 400000(D(A 300000 oj*>v> 200000(NO° 100000

0

18

APE DPE DBE HE SEKABE

19

10 pav. Galios balansavimo būdų taršumo palyginimas per 20 metų naudojant įvairių tipų elektrinesAPE - anglies pikinė elektrinė, ABE - anglies bazinė elektrinė, DPE - dujų pikinė elektrinė, DBE - dujų bazinė

elektrinė,HE - hidroelektrinė, SEK - smagratinė energijos kaupykla. Šaltinis: Pacific Northwest National Laboratory, JAV

Dėl tų pačių išvardintų priežasčių SEK tam tikrose ribose tinka ir energetikos sistemos elektros tinklo dažniui reguliuoti. Norint palaikyti dažnį elektros sistemoje, reikia taip pat turėti labai greitai veikiantį reguliuojamos galios elektros energijos šaltinį. Šiam tikslui JAV Niujorko valstijoje Stephentown mieste statoma 20 MW galios elektros energijos kaupykla, kurioje bus naudojama 200 SEK, dirbančių lygiagrečiai (SEK baterija). Kiekvienos iš jų vardinė galia 100 kW, sukauptos energijos kiekis - 25 kWh ( visos baterijos - 5 MWh). SEK rotoriaus (smagračio) sukimosi greitis - nuo 8000 iki 16000 aps/min. SEK mechaninis naudingo veikimo koeficientas - 97 %, o viso energijos įkrovos/iškrovos ciklo efektyvumas - 85 %.

20 MW smagratinę energijos kaupyklą įrengia JAV kompanija Beacon Power iš Tyngsboro [4, 7]. Ši kaupykla sudarys labai dinamišką galios rezervą dažniui elektros tinkle palaikyti. JAV regioninių elektros tinklų nepriklausomų sistemos operatorių duomenimis dažniui palaikyti per metus reikės ne mažiau, kaip 6000 SEK įkrovos/iškrovos ciklų, o sistema yra pajėgi atlaikyti daugiau kaip 150000 pilnų įkrovos/iškrovos ciklų.

20

Iškrovimo gylis reguliuojamas nuo 0 iki 100 % ribose. JAV ketinama įversti naują tarifą dažnio palaikymo rezervo elektros energijai 30 sekundžių laikotarpiui.

Smagratinių kaupyklų įsigijimo kainos svyruoja nuo 100 iki 300 JAV dolerių už įrengtą kilovatą. Kaina mažėja didėjant SEK vardinei galiai ir mažėjant vardiniam smagračio sukimosi greičiui ir atvirkščiai. SEK įrengimas yra nesudėtingas ir nebrangus - nuo 20 iki 40 JAV dolerių už kilovatą. SEK aptarnavimo ir priežiūros išlaidos sudaro tik kelis JAV dolerių už kilovatą per metus.

10. Energijos kaupimo technologijų palyginimas

11 paveikslėlyje yra palyginti kai kurių tipų energijos kaupiklių galios ir energijos tankiai [16]. Energetikoje šiuo metu jau yra naudojamos ir geriausias perspektyvas ateityje turi HAE, SOEK, REK, SEK ir SMEK energijos kaupyklos. Baterijos (akumuliatoriai) ir superkondensatoriai jau naudojami transporte ir rezerviniuose maitinimo šaltiniuose, o netolimoje ateityje gali būti pradėti naudoti ir elektros energetikoje kaip paskirstyti energijos kaupikliai. Jų galia turėtų būti nedidelė (šimtai kW), bet jų skaičius - labai didelis. HAE ir SOEK atveju jų energijos kaupimo savybes sunku įvertinti tokiais rodikliais, kurių dimensijose yra kilogramai, todėl jos šiame paveikslėlyje neparodytos. 11 paveikslėlyje NB pažymėtos naujausios baterijos, kuriamos naudojant nanotechnologijas, kurios, kaip manoma, bus komercializuotos netolimoje ateityje.

100000,00

21

10000,0

0

100

0,0

0

100

,00

10,

00

1,0

0

0,1

0

0,0

1

M

3mo

SHw

Kondensatoriai

Dvigubo sluoksnio kondensatoriai (superkond.) SMEK

Kuro elementaiMmmmmMmMM:

BaterijosSEK

NB

22

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06 1E+07

Galios tankis, W/kg

11 pav. Įvairių tipų energijos kaupiklių galios ir energijos tankių palyginimasKaupiklių energetikoje labai svarbus parametras yra energijos iškrovos laikas. Įvairių energijos kaupiklių

energijos iškrovos laikų ir jų galių ribinės reikšmės yra palygintos 12 paveikslėlyje [16]. VE galiai balansuoti reikia turėti didelės galios ilgo iškrovos laiko (val.) ir trumpo iškrovos laiko (s) energijos kaupiklių. Kaip parodyta 12 paveikslėlyje, tinkamiausiomis valandinėmis VE parkų galios balansavimo ir rezervavimo priemonės gali būti HAE, SOEK ir SB. Tačiau kol kas nėra ištirta, ar Lietuvos teritorijoje gali būti tinkamų natūralių pakankamai sandarių ir erdvių požeminių ertmių, kuriose būtų galima įrengti SOEK. Užsienyje šiam tikslui naudojamos senos šachtos ir požeminės ertmės, susidariusios išsiurbus naftą ar gamtines dujas, iškasus druską. Šios šachtos ir kitos požeminės ertmės prieš jas naudojant kruopščiai užsandarinamos, kad nebūtų suspaudžiamo oro nuotėkio.

Mažos talpos antžeminės suspausto oro energijos kaupyklos gali būti naudojamos tik katu su nedidelės galios vėjo elektrinėmis vietiniams smulkaus vartotojo pereikiams tenkinti. Mažos suspausto oro talpos taip pat jau naudojamos pneumatiniuose automobiliuose, hibridiniuose pneumatiniuose-elektriniuose, pneumatiniuose benzininiuose automobiliuose, kurie kuriami Prancūzijoje, Korėjoje ir kitose šalyse [17].

Kaip trumpalaikės VE parkų generuojamos elektrinės galios kokybės valdymo priemonės gali būti naudojamos SMEK, SEK, superkondensatoriai. Jų iškrovos laikai dažniausiai neviršija 1 s. Kol kas šios elektros energijos kaupimo priemonės yra dar tik eksperimentinėje jų naudojimo stadijoje.

23

Metalo-orobaterijos

HAE

Į DĮS Rūgštinės švino baterijos

SB

NaS baterijos

Ni-Cd baterijos

Li-jonų baterijos

ValandosSOEKO m

> į* 9 P- J3 ^

o12

24

Minutės

25

SekundėsSMEK

26

Didelės galios SEK

Didelės galios superkondensatoriai

27

1 kW 100 MW 1 GW

28

100 kW 1 MW Galia

29

30

12 pav. Kaupiklių iškrovos laiko ir jų galios priklausomybių palyginimas (DĮS - didelės įkrovos superkondensatoriai)

Šaltinis: www.electricitystorage.org

31

Kap

italin

iai k

ašta

i ene

rgijo

s vnt

., $/

kWh

10 1

00 1

000

1000

0

100030010 30 100Kapitaliniai kaštai galios vnt., $/kW

13 pav. Energijos kaupimo technologijų palyginimas pagal kapitalinius kaštus galios vienetui ir sukaupiamos energijos

vienetui (RMŠ - rezerviniai maitinimo šaltiniai (UPS))

13 paveikslėlyje energijos kaupimo technologijų palygintos pagal kapitalinius kaštus galios ir sukaupiamos energijos vienetui. Kaip parodyta šiame paveikslėlyje, mažiausius kapitalinius kaštus sukauptos ir regeneruotos energijos vienetui turi SOEK, HAE, metalo-oro baterijos, ilgos iškrovos trukmės superkondensatoriai, SB. 13 paveikslėlyje paminėtos ultrabaterijos yra naujo tipo baterijos, kurios gaminamos naudojant CSIRO ultrabaterijų technologiją [17]. Iš esmės tai yra rūgštinių švino baterijų ir į šias baterijas integruotų superkonsatorių hibridas. Tokia kombinacija leidžia prailginti baterijų darbo amžių ir žymiai pagreitinti baterijų įkrovos-iškrovos trukmes. Pradžioje buvo numatyta jas naudoti automobiliuose, bet dabar jau matoma žymiai platesnės jų taikymo sritys, tarp jų ir elektros energijai kaupti. Australijoje 2009 m. buvo vykdomas demonstracinis projektas, kuriame numatoma ultrabaterijas, kurių galia 360 kW ir įkrovos talpa 200 kWh, panaudoti VE parko generuojamos elektrinės galios netolygumams kompensuoti ir efektyvesniam parko darbui užtikrinti [18].

14 paveikslėlyje įvairių tipų energijos kaupikliai palyginti pagal energijos tankius masės ir tūrio vienetams. Į šiuos rodiklius atsižvelgiama, kai kaupiklių masė ir svoris yra svarbūs. Kaip parodyta 14 paveikslėlyje, šiuo požiūriu geriausios yra NaS, Li-jonų ir metalo-oro baterijos.

Energijos tankis tūrio vienetui, kWh/m3

I Metalo - orobaterijos(elektriškaineįkraunamos)Li-

14 pav. Energijos kaupiklių palyginimas pagal energijos tankius masės ir tūrio vienetus

Įvertinant ne tik masiško paskirstyto elektros energijos generavimo galimybes netolimoje ateityje, bet ir masiško elektros energijos paskirstyto kaupimo galimybes, galima tikėtis, kad pasaulyje taip pat bus naudojami nedidelės galios (dešimtys ir šimtai kW) paskirstyti elektros energijos kaupikliai baterijų ir superkondensatorių pagrindu. Šie kaupikliai turėtų būti valdomi perdavimo elektros tinklo operatorių naudojant naujausias informacines ir komunikacines technologijas. Tolimesnėje perspektyvoje visoje Lietuvoje tokių energijos kaupyklų kiekis turėtų būti skaičiuojamas dešimtimis tūkstančių. Kaupyklos būtų išdėstytos visoje šalies teritorijoje ir prie VE parkų. Jas eksploatuoti galėtų smulkiųjų ir vidutinių mažųjų elektros energijos kaupimo ir regeneravimo įmonių savininkai.

2 lentelėje yra palyginti pagrindinių elektros energijos kaupiklių parametrai, o 3 lentelėje elektros energijos kaupimo technologijos sugrupuotos pagal jų taikymo sritis. 4 lentelėje pateiktos panašios ilgalaikių ir trumpalaikių elektros energijos kaupimo priemonių charakteristikos pagal kito šaltinio [19] duomenis.

2 lentelė

36

E l e k t r o s e n e r g i j o s k a u p i k l i ų t a i k y m o s r i t y s , p a g r i n d i n i a i p a r a m e t r a ii r n a u d o j a m o s t e c h n o l o g i j o s

I l g a l a i k i ų i r t r u m p a l a i k i ų e l e k t r o s e n e r g i j o s k a u p i m o p r i e m o n i ųc h a r a k t e r i s t i k o s

E l e k t r o s e n e r g i j o s k a u p i k l i ų p a g r i n d i n i ų p a r a m e t r ų p a l y g i n i m a sKaupiklio tipas Tipinė galia Tipinė energija Tipinė

iškrovostrukmė

Technologijosbrandumas

Baterijos (švino-rūgštinės, NiCd, NiMH, Li-jonų)

1 kW - 500 kW 1 MWh - 100 MWh 1 h - 8 h Brandžios, yra rinkoje

SEK 500 kW - 1 MW 100 kWh - 100 MWh < 5 min. Brandi, yra rinkojeHAE 100 MW - 4000 MW 500 MWh - 15 GWh 4 - 12 h Brandi, naudojama > 100

metųSuspausto oro energijos kaupikliai (SOEK)

25 MW - 3000 MW 200 MWh - 10 GWh 1 - 20 h Sukurta, yrademonstraciniai objektai

NaS baterijos 1 MW 1 MWh 1 h Sukurta, yra rinkoje, yra demonstraciniai objektai

SMEK 10 kW - 10 MW 10 kWh - 1 MWh 1 - 30 min. Sukurta, dar nėra rinkojeSuperkondensatoriai < 250 kW 10 kWh < 1 min. Sukurta, yra rinkojeSrautinės baterijos 100 kW - 10 MW 1 - 100 MWh 10 h Sukurta, demonstracinių

projektų stadijaVandenilio kaupikliai 10 MW Neribota > 5 h Kūrimo stadijoje

3 lentelė

Taikymo sritys Tipinė galia, tipinis iškrovos laikas

Naudojamos technologijos

Galios kokybės gerinimas < 1 MW, 1 s Superkondensatoriai, SMEK, SEK, baterijosEnergijos valdymas (ilgalaikiai svyravimai, apkrovos išlyginimas)

10 - 100 MW, 1 - 10 h HAE, Suspausto oro energijos kaupikliai, baterijos, srautinės baterijos, NaS baterijos, vandenilio kaupikliai

Atsinaujinančiosios energijos elektrinių integravimas

0,1 - 100 MW, 1 min - 10 h SEK, baterijos, srautinės baterijos, NaS

Atsinaujinančiosios energijos elektrinių rezervavimas

~ 1 MW, 1 - 20 h HAE, SMEK, baterijos, srautinės baterijos, NaS

Pikinis energijos generavimas ~ 1 MW, ~ 1 h HAE, SMEK, SEK, baterijos, srautinės baterijos, NaS baterijos

Energijos perdavimo stabilumas 1 - 100 MW, 1 s SMEK, baterijos, srautinės baterijos, NaS baterijos

4 lentelė

Charakteristikos TechnologijosIlgalaikės energijos kaupimo priemonės Trumpalaikės energijos kaupimo

priemonėsHAE Baterijos Suspaustasoras

Kuroelementai

SEK Superkondensatoriai

SMEK

Galia (MW) 100 - 3000 < 100 100 - 3000 < 50 < 10 < 10 < 100Energija (MWh) <10000 < 500 50 - 5000 - < 5 < 3 < 1000Ciklo naudingumo koeficientas

80 % 50 - 90 % 75 % 20 - 36 % 90% 90% 95%

Darbo amžius (ciklais, metais, h)

40 metų 103 - 104 30 metų 104 val. 106 106 106

Kaina (€/kWh) 35 - 70 70 - 4000 10 - 70 - - - -Kaina (€/kW) - - - - 140 - 350 70 - 4000 200 - 500

37

11. Energijos kaupimo priemonių taikymo galimybės Lietuvos EES

Elektros energetikoje energijos kaupimo priemonės pagal sukauptos energijos iškrovimo laiką skirstomos į dvi pagrindines grupes:

•ilgalaikio energijos kaupimo/regeneravimo priemonės, kai iškrova matuojama valandomis,•trumpalaikio energijos kaupimo ir regeneravimo priemonės, kai iškrovos laikas matuojamas nuo sekundžių iki kelių minučių.

Pasaulio praktikoje elektros energetikos sistemose naudojamas abi priemonės. Jos tampa ypač aktualios, kai į energetikos sistemą integruotų vėjo ir saulės elektrinių suminė galia viršija 15-20 % nuo visų sistemoje įrengtų galių sumos. Didelė vėjo energetikos plėtra prognozuojama visame pasaulyje ir Lietuvoje, nes tą daryti skatina daug žinomų ekologinių, energetinių ekonominių ir politinių motyvų, kuriuos įvertina ES direktyvos atsinaujinančiųjų energijos šaltinių naudojimo srityje. Kadangi Lietuva turi oficialų tikslą iki 2010 m pabaigos pasiekti, kad į EEST būtų integruota suminė 200 MW vėjo elektrinių galia, o pradinių projektavimo sąlygų VE ir jų parkų prijungimui prie elektros tinklo išduota dar 4000 MW suminei galiai, tai greitai ir Lietuvoje susidarys tokios sąlygos, kai naujos įvairių tipų energijos kaupyklos bus būtinos.

Ilgalaikio energijos kaupimo sistemos, įrengtos prie stambių elektros energijos vartotojų, padeda išvengti didelių kapitalinių įdėjimų tais atvejais, kai paskirstymo tinklas yra arti savo ribinės perdavimo galios. Kaip parodyta 15 paveikslėlyje, įrengus energijos kaupyklą, ji gali padengti pikinius elektros energijos poreikius be didelės dalies paskirstymo tinklo linijos laidininkų skerspjūvio padidinimo ir/arba papildomo galios transformatoriaus įrengimo (pakeitimo). Kaip parodyta šiame paveikslėlyje, tuomet tam tikros paskirstymo tinklo dalies galios poreikių paros grafikas pasidaro žymiai lygesnis (ištisinė linija), kas palengvina perdavimo tinklo operatoriaus darbą.

15 pav. Energetikos sistemos generuojamų galios poreikių paros grafikas

Kad nebūtų ištampytas perdavimo tinklo paros momentinių galių grafikas ir apsunkintas operatoriaus darbas, daug ką galima padaryti skirstomajame tinkle įrengus trumpalaikio ar/ir ilgalaikio energijos kaupimo ir regeneravimo priemones prie probleminių elektros energijos gamintojų ir probleminių vartotojų, kurių generuojamos arba naudojamos galios staigiai kinta. Tokios priemonės yra taikomos ir tobulinamos įvairiose užsienio šalyse nuo Australijos iki JAV. Vėjo elektrinių parko ir energijos kaupyklos su ultrabaterijomis sistemos struktūra pavaizduota 16 paveikslėlyje. Kaip jau buvo minėta, tokia sistema 2009 m. įrengta Australijoje [18].

Išnagrinėjus įvairiose šalyse sukauptą patirtį galima konstatuoti, kad VE energijai kaupti ir jų galiai balansuoti naudojamos įvairių tipų ir parametrų elektros energijos kaupyklos, turinčios savo pritaikymo sritis. Didelės koncentruotos energijos įkrovos ir ilgalaikės iškrovos priemonės (HAE, SOEK) naudojamos VE parkų ir kitų elektros generatorių energijai kaupti, kai vartotojams jo nereikia, ir galiai elektros energijos perdavimo tinkle balansuoti. Tam pačiam tikslui jau netolimoje ateityje gali būti naudojami paskirstytieji elektros energijos kaupikliai su baterijomis, superkondensatoriais, vandenilio generatoriais ir kuro elementais. Šie mažieji elektros energijos kaupikliai ir jų grupės gali būti naudojamos ir prie VE parkų, ir visoje šalies teritorijoje prie skirstomojo elektros tinklo ir stambesnių elektros energijos vartotojų, kurie piko valandomis ir sunaudotų tų kaupyklų sukauptą energiją. Kadangi sukaupta energija didžiąja dalimi bus sunaudojama vietoje, tai bus išvengta energijos perdavimo nuostolių dideliais atstumais ir bus mažiau apkraunamas perdavimo tinklas.

su kaupykla _____________ be kaupyklos Paros laikas

38

Elektros energijos kaupyklos su trumpalaike energijos iškrova (SEK, SMEK) jau naudojamos EEST dažnio stabilizavimo sistemose bei trumpalaikiams teigiamiems ir neigiamiems galios perkričiams užlyginti, pereinamųjų procesų dinamikai pagerinti [20]. Tie perkričiai atsiranda elektros tinkle dėl VE darbo netolygumo, dėl įvairių komutacijų elektros tinkle ir dėl specifinių elektros energijos vartotojų, kurių naudojama elektrinė galia gali staigiai kisti. Ateityje šiems tikslams gali būti naudojami ir didelės galios superkondensatoriai, ypač pereinamiesiems procesams dėl komutacijų elektros tinkluose slopinti.

Iš kitų elektros energijos kaupiklių, kurie netolimoje ateityje turės įtakos ESET darbui galima paminėti elektromobilius, kurie energiją iš elektros tinklo ims dažniausiai naktimis, kada pigesnė elektros energija. Stambios pasaulio automobilių gamyklos jau gamina elektromobilius ir turi didelius planus ateičiai. Vien tik Kinija po 2010 m. planuoja pagaminti 10 mln. elektromobilių.

Be to, 2009 m rugsėjo mėnesį pasaulio žiniasklaidoje buvo paskelbta, kad VW automobilių gamykla kartu su Vokietijos Hamburgo miesto atsinaujinančiosios energijos grupe Lichtblick pasiūlė koncepciją „SchwarmStrom“, pagal kurią numatoma prigaminti šimtus tūkstančių mažos galios kogeneracinių elektrinių, kurios bus išdėstytos individualiuose gyvenamuose namuose visoje Vokietijoje ir bus naudojamos VE parkų galiai balansuoti ir rezervuoti. Tokią jėgainę sudarys VW tipo dujomis (tarp jų ir biodujomis) varomas automobilinis varikis ir elektros generatorius. Bendra šių kogeneracinių jėgainių įrengtoji galia prilygs atominės elektrinės galiai ir sudarys 2 GW. Šilumos energija bus naudojama pastatui šildyti, o elektros energija - tiekiama į ESET. Jėgaines valdys EES operatoriai. Jėgainės kaina bus apie 5000 eurų.

Šiame straipsnyje paminėtos elektros energijos kaupimo priemonės EES turi būti naudojamos kompleksiškai. Reikalingų priemonių parinkimas turi būti atliktas išanalizavus EEST veikiančios galios darbo grafikus.

Iš esmės dabartinė elektros energetikos sistema per savo šimtametę istoriją išsivystė į didelės galios elektros energijos gamybos centrų ir ilgų elektros energijos perdavimo ir paskirstymo linijų sistemą. Šiuo metu didžioji dauguma išsivysčiusių šalių energetikos specialistų prognozuoja, kad ateities energetikos sistema be didelės galios elektrinių turės ir labai daug paskirstytų mažos galios elektros energijos šaltinių, tarp kurių didelę dalį sudarys nepastovios galios atsinaujinančiųjų energijos išteklių elektrinės. Todėl ateities elektros energetikos sistemoje turės būti daug įvairių tipų elektros energijos kaupimo sistemų, valdomų tokiu būdu, kad kuro nereikalaujančių atsinaujinančiųjų energijos išteklių elektrinių pagaminta energija sudarytų kuo didesnę dalį bendrame energijos gamybos balanse. Elektros energijos kaupimo sistemos sudarys naują svarbią energetikos sistemos infrastruktūros klasę. Norint ją sėkmingai integruoti į energetikos sistemą, reikės sukurti naujus energijos kaupimo sistemų naudojimo algoritmus, protokolus, valdymo technologijas, jų planavimo metodiką ir finansavimo mechanizmus. Į energetikos sistemą integruotos elektros energijos kaupimo sistemos žymiai padidins EES lankstumą. Didesnis sistemos lankstumas leis optimizuoti elektros energijos tiekimą vartotojams ir tuo užtikrinti mažesnes elektros energijos kainas bei didesnį jos tiekimo patikimumą, ypač tais atvejais, kai elektros energijos tiekimas nutrūksta dėl įvairių stichinių nelaimių.

12 . Išvados

1. Vėjo elektrinių energijai kaupti pasaulyje naudojama daug įvairių tipų energijos kaupiklių, o ateityje jų poreikis dar labiau padidės ryšium su numatomu stambaus masto atsinaujinančios energijos elektrinių integravimu į energetikos sistemos elektros tinklą.

2. Galiai elektros energijos perdavimo tinkle balansuoti šiuo metu geriausiai tinka ilgalaikės energijos iškrovos

V; m/s

16 pav. Energijos kaupyklos ir vėjo elektrinių parko sistemos struktūrinė schema

39

priemonės: HAE, suspausto oro energijos kaupyklos, o netolimoje ateityje gali būti naudojami paskirstytieji elektros energijos kaupikliai su baterijomis, superkondensatoriais (per skirstomąjį elektros tinklą) bei vandenilio kaupikliais.

3. Energetikos sistemos elektros tinklo energijos kokybei pagerinti ir švytavimams gesinti šiuo metu naudojami smagratiniai energijos kaupikliai ir superlaidininkų magnetinės energijos kaupikliai, o ateityje gali būti naudojami ir didelės galios superkondensatoriai, ypač pereinamiesiems procesams dėl komutacijų elektros tinkluose slopinti.

4. Elektros energijos kaupimo ir sukauptos energijos regeneravimo sistemas tikslinga naudoti tiek elektros energijos perdavimo tinklo, tiek skirstomojo elektros tinklo sistemose.

5. Tinkamai naudojant energijos kaupimo priemones skirstomajame elektros tinkle galima palengvinti perdavimo elektros tinklo operatorių darbą.

6. Elektros energijos supirkimo iš vėjo ir kitų atsinaujinančiosios energijos elektrinių tarifas turėtų būti didesnis tiems elektros gamintojams, kurie naudos kaupyklas galios tiekimo į elektros tinklą grafikui išlyginti arba ją tieks pagal tinklo operatoriaus pateiktą grafiką.

7. Kaip numatyta ES direktyvose, artimiausioje ateityje ES šalyse, tarp jų ir Lietuvoje, numatoma stambaus masto atsinaujinančiosios energijos elektrinių plėtra, todėl lygiagrečiai bus kuriamas ir EES sumanusis tinklas bei mikrotinklai, į kuriuos įeis daug įvairių tipų elektros energijos kaupiklių, naudojamų įvairiuose elektros energijos tiekimo sistemų lygmenyse.

8. Naujoms 21 a. elektros energijos generavimo, perdavimo, kaupimo ir paskirstymo technologijoms reikia ruoštis jau dabar tuo tikslu šioje srityje aktyviai bendradarbiaujant su mokslo institucijomis, perimant užsienio patirtį, dalyvaujant ES projektuose ir konferencijose.

Literatūra

1. European Renewable Energy Council (EREC). Renewable Energy Scenario to 2040. Brussels, 16 p. Prieiga per internetą: http://www.erec.org/documents/publications/2040-scenario.html2. Report Future of Electrical Energy Storage. Publisher: Business Insights, February 2009. 138 p. Prieiga per internetą: https://www.energybusinessreports.com/shop/showcart.asp3. Report Smart Grid Promises and Challenges. Publisher: Energy Business Reports, October 2007. 79 p. Prieiga per internetą: http://www.energybusinessreports.com/shop/item.asp?itemid=14154. Report Microgrids Market Potential. Publisher: Energy Business Reports, September 2008. 79 p. Prieiga per internetą: http://www.energybusinessreports.com/shop/item.asp?itemid=21015. Farret F. A. Integration of Alternative Sources of Energy. Wiley & Sons, 2006, 504 p.6. Tixador P. Superconducting Magnetic Energy Storage: Status and Perspective. IEEE/CSC&ESAS European Superconductivity news forum, No.3, January 2008. Prieiga per internetą: http://ewh.ieee.org/tc/csc/europe/newsforum/pdf/CR5_Final3_012008.pdf7. http://www.beaconpower.com 8. Wind Power and Energy Storage. AWEA. Prieiga per internetą: http://www.awea.org/pubs/factsheets/Energy_Storage_Factsheet.pdf9. http://www.energystorage.org/technology /10. Redox flow cells for load leveling. 2001 IUPAC, Pure and Applied Chemistry 73. - P.1819 - 1837.11. http://www.cac.unsw.edu.au/centers/vrb/vanad.2a.htm .12. VRB Power System INC. Commercialized Energy Storage.Loewen, Ondaatje McCutcheon Limited. January 17, 2005. P.1-30.13. C. J. Rydh. Environmental assessment of vanadium redox and lead-acid batteries for stationary energy storage. Journal of Power Sources 80, 1999. P 21-29.14. Grevys, S.; Balčiūnas, P.; Adomavičius, V.; Norkevičius, P.; Griškonis, E. Redokso tipo elektros energijos kaupiklių su cirkuliuojančiais elektrolitais savybių, taikymo galimybių ir kūrimo problemų įvertinimas // Lietuvos taikomųjų mokslų akademijos mokslo darbai : tarptautinis inovacinis taikomųjų mokslo darbų žurnalas = Official Journal of Lithuanian Applied Sciences Academy / Klaipėdos universitetas. ISSN 1822-0754. 2006, nr. 3. P. 53-6715. Balčiūnas, P; Grevys, S.; Adomavičius, V.; Norkevičius, P.; Griškonis, E. Regeneracinių elektrocheminių keitiklių naudojimo galimybės Lietuvoje // Lietuvos taikomųjų mokslų akademijos mokslo darbai : tarptautinis inovacinis taikomųjų mokslo darbų žurnalas = Official Journal of Lithuanian Applied Sciences Academy / Klaipėdos universitetas. ISSN 1822-0754. 2006, nr. 3. P. 6-1616. http://www.mpoweruk.com/alternatives.htm 17. Pneumatic Air Car with Quasiturbine Pneumatic Engine. Prieiga internete: http://quasiturbine.promci.qc.ca/QTVehiculePneumatique.html18. Coppin, P.; Lam, L.; Ernst, A. Using Intelligent Storage to Smooth Wind Energy Generation. European Wind Energy Conference,2009, Marseille, 8 p. Prieiga per internetą: http://www.evec2009proceedings.info/proceedings/index.php?page=zip19. Martin-Giraldo, J. An Overview on Short and Long-Term Response Energy Storage Devices for Power Systems Applications. 2008. Prieiga internete: http://powerencounter.blogspot.com/2008/10/overview-on-short-and-long-term.html20. Padimiti D.S., Chowdhury B.H. Superconducting Magnetic Energy Storage System (SMES) for Improved Dynamic System Performance. Power Engineering Society General Meeting, 2007. IEEE. P. 1-6. Prieiga per internetą: http://scholarsmine.mst.edu/post_prints/pdf/042755_09007dcc8053002e.pdf

STATE-OF-THE-ART OF POWER STORAGE

V. AdomavičiusKaunas University of Technology

S u m m a r y

The article reviews the main power storage modes and equipment, which currently are used in power engineering and transport vehicles. Rapid development of the intermittent power generating systems based on renewable energy

40

sources and electrical vehicles gives a strong motivation for the improvement of existing power storage devices and technologies. New nanotechnologies, which currently are under development, promise the substantial enhancement of parameters of such power storage devices as batteries and significantly cutting their costs.

Many types of power storage systems already are used in the electric power systems of various countries. Power storage systems are applied in all levels of the electric power systems beginning of electricity users and substation up to the transmission grid. Large capacity power storage systems as pumped storage hydroelectric stations, compressed air storage systems currently are used for power balancing and reserving in the transmission grid. Large number of small scale distributed power storage facilities as batteries (including batteries of electrical vehicles) and hydrogen based power storage systems connected to the distribution network has potential possibilities to be used for power balancing in the nearest future. Proper application of the power storage means in the distribution network can facilitate the power balancing process performed by operators of the transmission grid.

Flywheels and superconducting magnetic energy storage systems are used in the power system for the power quality and stability reasons. They are used for rectifying of the grid‘s power curve from sharp and frequent positive or negative peaks. Supercapacitors can be used for the same purpose in future, especially for the extinction of transient processes emerging due to the commutations in the electric grid.

The main parameters, characteristics of the power storage means and areas of their application depending on their properties are presented and discussed. Parameters of the power storage means and various power storage technologies are compared.

Potential chances of application and development of power storage means in area of power engineering in Lithuania are analysed. Lithuania most probably will increase significantly the share of power generation based on renewables, as it is anticipated in directives of the EU. Therefore smart grid and microgrids in Lithuania will be developed as well and many various inherent power storage technologies will have to be used in all levels of country’s power supply system.

Gauta 2011 01 07

Spausdinti rekomendavo: doc. dr. G. Svinkūnas ir doc. dr. S. Žebrauskas