Systemy magazynowania energii elektrycznej (EES) - klasyfikacje i parametry

Data: 13-03-2022 r.

Polska Norma PN-EN IEC 62933-2-1:2018-03 Systemy magazynowania energii elektrycznej (EES) – Część 2-1: Parametry jednostkowe i metody badań – Specyfikacja ogólna, wskazuje jakimi parametrami charakteryzują się systemy EES (Electrical energy storage) i jak się je bada. Na podstawie tej normy przedstawiamy klasyfikacje systemów EES, a także wyjaśniamy co oznaczają parametry przez nią podawane oraz jakie powinny być warunki, w których mogą pracować te systemy.

Do klasyfikacji systemów EES wykorzystuje się najczęściej rozróżnienie ze względu na rodzaj wykorzystywanej energii. Mówi się więc o systemach magazynowania energii: elektrycznej (kondensator dwuwarstwowy – DLC, nadprzewodnik (Superconducting magnetic energy storage – SMES), cieplnej (magazyn ciepła jawnego – A-CAES), mechanicznej (pompowanie akumulacyjne wody – PHS, sprężone powietrze – CAES, magazyn energii z kołem zamachowym – FES), elektro-mechanicznej (baterie wtórne – kwasowe, ołowiowe, NiCd, NiMH, Li, NaS, baterie przepływowe – typu redox lub przepływowe hybrydowe) i chemicznej (system wodorowy – elektrolizer, ogniwo paliwowe, SNG).

Klasy systemów magazynowania energii elektrycznej (EES)

Dobierając system magazynowania energii elektrycznej, bierze się pod uwagę to, jakie funkcje będzie spełniał oraz gdzie zostanie zlokalizowany. Dobór ten ułatwiają trzy klasy systemów EES, charakteryzujące system oraz jego zastosowanie.

Klasa "A" - to systemy, które cechują się krótkotrwałą pracą. Taki EES służy do wprowadzenia lub odprowadzenia pożądanej mocy w krótkim cyklu pracy. Z reguły systemy należące do tej klasy są ładowane i rozładowywane w czasie mniejszym niż 60 minut. Wykorzystuje się je głównie w celu redukcji wahań zasilania elektrycznego i wahań obciążenia oraz do regulacji częstotliwości, gdzie zadaniem systemu jest stabilizacja częstotliwości sieci przy wykorzystaniu mocy biernej i regulacji napięcia przez sieci elektroenergetyczne z użyciem mocy biernej i czynnej.
Klasa „B” to systemy EES o zastosowaniu długotrwałym, gdzie cykl ładowania oraz rozładowywania systemu zawiera się w czasie przekraczającym 60 minut. Systemy klasy „B” służą głównie do ograniczania mocy szczytowej lub jej przesunięcia. Mają także możliwość zgromadzenia energii i wykorzystania jej w momencie szczytowego zapotrzebowania lub zgromadzenia nadmiaru wywarzanej energii. Takie funkcje pozwalają na osiąganie wyżej efektywności linii przesyłowych i dystrybucyjnych, które obsługują.
Klasa „C” to natomiast tak zwana rezerwa. W tym przypadku system EES stosuje się do zasilania prądem przemiennym sieci elektroenergetycznej w rozwiązaniu awaryjnym, bez wykorzystania zewnętrznego systemu zasilania. Systemy klasy „C” nie dopuszczają więc do powstawania groźnych w skutkach i rozległych awarii systemu elektroenergetycznego.

Wykorzystanie systemu EES może opierać się na kombinacji zastosowania różnych klas.

Parametry systemów magazynowania energii elektrycznej (EES)

W tabeli 1 przedstawiono parametry systemu EES, które podaje się, aby określić jego wydajność i możliwości. Wszystkie z wymienionych poniżej parametrów powinny być pomierzone oraz wyliczone w puncie przyłączenia (POC).

Tabela 1. Parametry systemu EES

Lp.	Parametr	Jednostka
1.	Zakres napięcia Zakres napięcia znamionowego przedstawia zakres napięcia, w jakim dozwolone jest, aby system pozostawał podłączony do sieci. Zakłada się, że nominalne napięcie robocze w POC powinno zawierać się w przedziale <u_{min; Umax>.}	[V]
2.	Zakres częstotliwości Zakres częstotliwości znamionowej nominalnej, roboczej w POC powinien być określony w zakresie od f_min do f_max. Dla takiego zakresu system EES może pozostawać podłączony do sieci.	[Hz]
3.	Nominalna pojemność energetyczna Nominalna pojemność energetyczna to energia, która w standardowych warunkach badania może być dostarczana przez system w POC. W celu wyliczenia pojemności energetycznej stosuje się iloczyn znamionowej mocy wyjściowej i czasu wprowadzania na poziomie mocy znamionowej. Przy wyliczeniach należy uwzględnić straty przetwarzania i energii wykorzystanej na potrzeby własne.	[Wh]
4.	Wartość znamionowa mocy wejściowej i wyjściowej Wartość znamionowa mocy wejściowej i wyjściowej to wartość mocy, jaką system może pobrać lub zapewnić w POC w określonym czasie w odpowiednich warunkach środowiskowych. Jej wartość powinna być określana wraz z czasem trwania wprowadzania lub wyprowadzania. Moc wejściowa i wyjściowa może być mocą czynną (P), mocą bierną (Q) lub mocą pozorną (S). I tak: − moc czynna wejściowa znamionowa określa maksymalną wartość mocy, jaka może być wprowadzana stale w POC w określonym czasie trwania z niższego stanu limitu zasilania. Moc czynną wyjściową przedstawia się ze znakiem ujemnym; − moc czynna wyjściowa znamionowa to najwyższa wartość mocy, jaką można wprowadzać w POC przez określony czas z całkowitego poziomu dostępnej energii. Moc czynną wyjściową wyraża się ze znakiem dodatnim. W zależności od zastosowań systemów EES wymagane są różnorodne charakterystyki parametrów wprowadzania i wyprowadzania. W związku z tym wartość znamionowa mocy wejściowej i wyjściowej oraz okres wprowadzania i wyprowadzania są dobrane w sposób, który pozwoli na zaabsorbowanie lub pobranie całej mocy przez system EES; − moc bierna znamionowa systemu EES określa maksymalną wartość stałej mocy biernej, która może być nieprzerwanie wprowadzana lub wyprowadzana w POC; − moc bierna to połączenie mocy czynnej i biernej w POC, przedstawione w formie wartości bezwzględnej.	[W, var, VA]
5.	Efektywność w obie strony Efektywność w obie strony pokazuje stosunek całkowitej energii wyjściowej do całkowitej energii wejściowej, wziąwszy pod uwagę jeden cykl ładowania i rozładowania. Efektywność powinna być oceniana na podstawie efektywności ładowania od poziomu najniższej energii do momentu całkowitego naładowania, a kolejno rozładowania do poziomu początkowego. Efektywność w obie strony jest zależna od poboru mocy na potrzeby własne, rzeczywistej pojemności energetycznej oraz znamionowej mocy czynnej. Nie pozostają obojętne także standardowe warunki przewidziane do przeprowadzania badania.	−
6.	Moc potrzeb własnych Moc potrzeb własnych to suma wartości mocy, które są niezbędne, aby system EES mógł obsłużyć własne potrzeby. Moc tę mierzy się lub szacuje na podstawie następujących parametrów: znamionowa moc czynna wejściowa i wyjściowa, znamionowa moc bierna wejściowa i wyjściowa, moc czynna 0 W i moc bierna 0 var. Dla systemów, które potrzeby własne obsługują z zasilania pomocniczego, moc potrzeb własnych jest mierzona jako moc wejściowa w pomocniczym POC.	[W]
7.	Samorozładowanie EES Samorozładowanie systemu EES to wytracenie energii przez system w normalnych warunkach podczas postoju systemu. Przyjmuje się, że normalny czas pomiaru samorozładowania wynosi jedną godzinę, jeden dzień lub jeden tydzień. Wyklucza się w tym pomiarze energię zużytą na potrzeby własne.	[Wh/h]
8.	Oczekiwany czas eksploatacji Oczekiwany czas eksploatacji to okres od początku działania systemu EES do momentu, gdy system przestanie być zgodny z zakładanymi specyfikacjami w wyniku wystąpienia zjawisk degradacji.	[cykle pracy, lata]
9.	Czas odpowiedzi skokowej systemu Czas odpowiedzi skokowej systemu to przedział czasu trwający od chwili odebrania nastawy przez system EES będący w stanie gotowości lub od momentu, w którym parametr sieci zmienia się i wyzwala odpowiedź systemu, aż do momentu, w którym moc czynna w POC będzie równa 2% wartości nastawy. Systemy posiadające wartość znamionową mocy biernej wymagają zbadania czasu odpowiedzi skokowej także przy znamionowej mocy biernej wejściowej i wyjściowej, znamionowej mocy pozornej wejściowej i wyjściowej przy różnym stosunku mocy biernej i czynnej oraz przy innych nastawach dla zmniejszonej mocy w stosunku do mocy znamionowej.	[s]
10.	Szybkość narastania odpowiedzi systemu Szybkość narastania odpowiedzi systemu to średnia prędkość, z jaką następuje zmiana mocy czynnej przyrównana do jednostki czasu, którym jest przedział od chwili, gdy moc czynna w POC jest większa niż 2% wartości nastawy do chwili, w której ta moc przekracza 98% wartości nastawy. Aby zdefiniować szybkość narastania, najlepiej odnieść się do znamionowej mocy wejściowej i wyjściowej, która przesądza o szybkości ładowania i rozładowania. Dla systemów z wartością znamionową mocy biernej szybkość narastania bada się także przy znamionowej mocy wejściowej i wyjściowej, znamionowej mocy biernej wejściowej i wyjściowej oraz innych nastawach, które przewidują zmniejszoną moc w stosunku do mocy znamionowej.	[W/s]

Systemy magazynowania energii EES - warunki środowiskowe

System EES powinien pracować w odpowiednich do tego warunkach, nazywanych normalnymi warunkami środowiskowymi.

Dla instalacji wewnętrznych i zewnętrznych optymalna temperatura powinna zawierać się poniżej górnej granicy, która wynosi 40⁰C, a średnia dobowa temperatura powinna być mniejsza niż 35⁰C. Dla instalacji zamontowanych wewnątrz obiektów wilgotność względna średnia dla doby nie może przekraczać 95%. Nawet przy spełnieniu tego warunku może jednak dochodzić do pojawiania się zjawiska kondensacji, szczególnie jeżeli podczas okresowo występującej dużej wilgotności powietrza następują gwałtowne zmiany temperatury. Dla takich warunków należy przewidzieć odpowiednio zaprojektowany i przebadany sprzęt, w którym nie dojdzie do zniszczenia izolacji lub korozji części wykonanych z metalu. Uniknięcie powstawania zjawiska kondensacji jest możliwe przez zastosowanie specjalnej konstrukcji budynku oraz odpowiedniej wentylacji i ogrzewania stacji.

Natomiast dla instalacji zewnętrznych istotne jest uwzględnienie występowania opadów atmosferycznych takich jak rosa, deszcz, śnieg, lód, szron czy kondensacja. Pomiar promieniowania słonecznego, dokonany w jasny dzień, w południe powinien pokazać wartość mniejszą niż 1000 W/m. Pomiar wielkości tego zjawiska jest istotny ze względu na fakt, że niektóre części systemu wykonane z materiałów syntetycznych mogą ulec zniszczeniu na skutek oddziaływania promieniowania ultrafioletowego UV. Jeżeli system ma działać w warunkach innych niż warunki normalne, to musi to być ustalone między użytkownikiem a dostawcą systemu.

Wszystkie badania systemu EES należy przeprowadzać w przedstawionych powyżej warunkach normalnych. Jeżeli nie jest to możliwe, trzeba zapewnić tak zwane standardowe warunki badania. Temperatura powietrza powinna wynosić 25⁰C, wysokość być mniejsza od 1000 m, a wilgotność nie większa nić 95% bez występowania kondensacji.

Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono, jak wygląda architektura systemu EES. Jako POC, czyli punkt przyłączenia, oznaczono granicę pomiędzy EES a systemem elektroenergetycznym. W tym miejscu powinien być mierzony każdy wymagany parametr.

Na rysunku 1 przedstawiona została typowa struktura systemu EES. Składa się na nią podsystem sterowania (a w tym: podsystem łączności, podsystem zabezpieczeń i podsystem zarządzania) oraz podsystem podstawowy (a w nim: podsystem akumulacji, podsystem przekształcenia energoelektronicznego i podsystem łączności), pomiędzy którymi występują zależności przedstawione na rysunku.

Rysunek 2 to natomiast opcjonalna architektura systemu EES, w której zastosowano pomocniczy podsystem łączności, co powoduje występowanie zarówno pomocniczego POC, jak i podstawowego POC.