Magazyny energii jako booster funkcjonalny dla starszych farm wiatrowych Phoenix Contact wykorzystuje otwartą technikę sterowania, aby wypełnić lukę między wytwarzaniem energii, jej magazynowaniem i dalszym wykorzystaniem.

Magazyny energii obok wiatraków i paneli słonecznych

Streszczenie

Kiedy wieje świeża bryza, wszyscy operatorzy turbin wiatrowych są zachwyceni zyskami, jakie czerpią z siły wiatru. Jeśli wiatr ustaje, nic się nie obraca – choć zapotrzebowanie na energię elektryczną pozostaje takie samo. I właśnie w tym miejscu odnawialne źródła energii stanowią problem, ponieważ nie są w stanie samodzielnie zapewnić obciążenia podstawowego. Zmieni się to jednak najpóźniej wtedy, gdy farmy otrzymają własny magazyn. Magazyny energii dają farmom wiatrowym prawdziwy zastrzyk w zakresie ekonomiczności, bezpieczeństwa zasilania i jakości sieci. Aby utrzymać je dłużej podłączone do sieci, szczególnie starsze systemy mogą być skutecznie wyposażone w systemy magazynowania poza okresami subsydiowania. Phoenix Contact wspiera ten rozwój dzięki modułowym systemom do instalacji zasobników energii.

Z wydajnością 125,3 mld kWh, energia wiatrowa jest najważniejszym źródłem w niemieckim miksie energetycznym.

Połączenie energii wiatrowej i magazynów dla drugiego życia

Obecnie 46,2% zużycia energii elektrycznej brutto w Niemczech pochodzi ze źródeł odnawialnych. Dane Federalnej Agencji Środowiska dotyczą roku 2022 i opisują energię wiatrową jako najważniejsze źródło w koszyku energetycznym z wydajnością 125,3 mld kWh. Według Statista udział energii wiatrowej wyniósł 21,7%.

Na początku może to brzmieć dobrze, ale nie powinno przesłaniać faktu, że według Federalnej Agencji Środowiska, aby osiągnąć cele klimatyczne, konieczne jest szybsze tempo rozwoju energetyki wiatrowej. Oprócz dalszej ekspansji, powracającą kwestią jest to, jak radzić sobie ze starszymi turbinami wiatrowymi. Są to głównie turbiny wiatrowe, które zostały wzniesione dzięki dotacjom państwowym na mocy ustawy o odnawialnych źródłach energii (EEG), która weszła w życie w 2000 roku. W rezultacie pierwsze turbiny wiatrowe mają już ponad 20 lat i są uznawane za „wyeksploatowane”.

Ze względu na utratę dotacji państwowych, operatorzy stoją przed ekonomicznie umotywowanym pytaniem, czy rozebrać elektrownie, czy po prostu kontynuować ich eksploatację. Trzecią opcją jest zmiana mocy w połączeniu z przemysłowymi zasobnikami energii. Dzięki temu buforowi starsze farmy wiatrowe mogą również uczestniczyć w rynku rezerwy pierwotnej. W idealnej sytuacji farma wiatrowa i magazyn energii są połączone we wspólnym punkcie przyłączenia do sieci. Tworzy to jednostkę rezerwową, która dzięki zasobnikowi energii może zapewnić energię pierwotną. Otwiera to drugie życie dla starzejących się farm wiatrowych, ponieważ połączenie z zasobnikami energii otwiera zupełnie nowe modele biznesowe i użytkowe.

Phoenix Contact wspiera ten rozwój dzięki modułowym systemom do instalacji zasobników energii. Firma wykorzystuje otwartą technikę sterowania, aby wypełnić lukę między wytwarzaniem energii, jej magazynowaniem i dalszym wykorzystaniem. Za tym stoi cel łączenia sektorów energii, z którym Phoenix Contact kontynuuje pracę nad All Electric Society.

Dr Rüdiger Meyer jest ekspertem w dziedzinie zasobników energii w Phoenix Contact

Trzy formy rezerw zapewniających stabilność sieci

Do utrzymania stabilności sieci energetycznej niezbędne są rezerwy pierwotne. Sama sieć nie ma fizycznej szansy na magazynowanie energii. W związku z tym należy zachować stałą równowagę między podażą a popytem. W tym momencie branża energetyczna rozróżnia trzy formy rezerwy, które są definiowane przez ich zdolność do dostępności w czasie. Rezerwy pierwotne muszą być dostępne w ciągu 30 sekund. W przypadku rezerw wtórnych pozostaje pięć minut na rezerwę, która następnie ma za zadanie przejąć pałeczkę od rezerwy pierwotnej w ciągu 15 minut, aby rezerwa pierwotna mogła się zregenerować. Rezerwa trójna jest nazywana również rezerwą minutową. Również ona musi być dostępna w ciągu 15 minut dla ujemnej i dodatniej mocy bilansującej. Elektrownie, które można szybko uruchomić, są zwykle używane do nierównowagi dodatniej. Ujemne obciążenia można osiągnąć za pomocą dużych odbiorników, takich jak elektryczne piece łukowe, nocne grzejniki akumulacyjne, elektrownie szczytowo-pompowe czy kontrolowane wyłączanie turbin wiatrowych. Wszystkie opisane tu pokrótce środki mają na celu zapewnienie stabilności sieci. „Jeśli obciążenie jest zbyt wysokie, częstotliwość spada. Jeśli spada obciążenie, wzrasta częstotliwość. Obu przypadków powinno się unikać – podsumowuje dr Rüdiger Meyer, ekspert ds. zastosowań zasobników energii w firmie Phoenix Contact.

Z ekonomicznego punktu widzenia, szybko dostępne elektrownie z turbinami gazowymi dla rezerwy minutowej są tak samo nieefektywne, jak wyłączanie farm wiatrowych. Z jednej strony energia elektryczna jest generowana przy wysokim nakładzie rezerwy pierwotnej, a z drugiej strony nie jest wykorzystywana dostępna energia kinetyczna wiatru. W obliczu tego dylematu dr Rüdiger Meyer dostrzega bardzo dobre perspektywy rozwoju, szczególnie w zakresie wyposażania istniejących farm wiatrowych w zasobniki energii na skalę przemysłową. „Jeśli połączymy farmy wiatrowe z dużymi zasobnikami, można je wykorzystać do buforowania krzywych obciążenia sieci. Dzięki własnemu systemowi magazynowania, turbiny wiatrowe mogą pozostać na wietrze i generować energię nawet wtedy, gdy sieć jest pełna”. W przeciwnym kierunku, energia może być pobierana z systemu magazynowania nawet wtedy, gdy nie ma wiatru. Jednostki te odgrywają zatem również ważną rolę w stabilności sieci.

Łagodzenie obciążeń szczytowych i zarabianie na tym pieniędzy

I właśnie w tym miejscu rozwijają się nowe obszary działalności w kierunku „repoweringu”, szczególnie w przypadku starszych farm wiatrowych. Połączenie z systemami magazynowania opartymi na akumulatorach litowo-jonowych lub przepływowych ogniwach redoks stanowi cenny wkład w stabilność sieci. Otwierają one również nowe możliwości uzyskiwania przychodów przez operatorów – poprzez transakcje arbitrażowe. Wpływ na to mają silne wahania cen energii elektrycznej na rynku spot. Magazyn pobiera energię wiatrową w okresach niskich taryf i uwalnia ją ponownie po wyższych cenach podczas tymczasowych obciążeń szczytowych. Ten model ekonomiczny jest niewątpliwie motywowany monetarnie, ale pokazuje, że wytwarzanie energii i zużycie energii mogą być rozdzielone w czasie za pomocą systemów magazynowania. To odsprzężenie otwiera zatem nowe możliwości łączenia sektorów energii na drodze do All Electric Society.

Phoenix Contact oferuje już gotowe rozwiązania w tym zakresie, w tym gotowe do instalacji aplikacje dla urządzeń turbin wiatrowych. Zakres funkcji rozciąga się aż po aplikacje chmurowe, w tym integrację obecnych i przyszłych standardów komunikacyjnych. Otwarta platforma sterowania PLCnext odgrywa tutaj kluczową rolę, ponieważ może być używana do wygodnego spełniania indywidualnych wymagań. Obejmuje to również modele biznesowe oparte na IoT. Są one niezbędne w odniesieniu do usług w chmurze i procesów informacyjnych opartych na bazach danych. Na poziomie sprzętu wykorzystywane są m.in. kompletne rozwiązania do zarządzania dostawami energii do sieci. Szeroki system oferuje np. rozwiązania przyłączeniowe dla energoelektroniki o dowolnym przekroju. Phoenix Contact oferuje również przygotowane aplikacje do monitorowania sieci. Obowiązkowo: Skuteczna i niezawodna ochrona przed uderzeniami piorunów za pomocą wydajnych ograniczników przepięć.

Odnawialne elektrownie hybrydowe

„Dzięki naszemu całemu portfolio jesteśmy teraz w szczęśliwej sytuacji, mogąc wspierać modernizację farm wiatrowych za pomocą przemysłowych zasobników energii. W ten sposób tworzymy niezbędną podstawę do łączenia sektorów energii” – podsumowuje dr Rüdiger Meyer. Modernizacja farm wiatrowych poprzez wyposażenie w zasobnik energii zamienia elektrownie wytwarzające energię odnawialną w odnawialne elektrownie hybrydowe, gdzie wytwarzanie i magazynowanie energii odbywa się w jednym miejscu. Dr Rüdiger Meyer: „W tym kontekście magazyny energii są realną alternatywą dla zastąpienia elektrowni szczytowych, zwłaszcza że magazyny energii nie wymagają uruchamiania i dostarczają energię w ciągu milisekund”.