Солнечные батареи и ветряные турбины генерируют чистую возобновляемую энергию. Однако по мере их внедрения в энергосистему появляются некоторые проблемы, которые помогают решить различные поставщики услуг, предоставляющие технологии для предотвращения отключения электроэнергии.
На традиционных электростанциях, работающих на угле, газе или гидроэнергии, кинетическая энергия турбин преобразуется в электроэнергию с помощью генераторов. Большие турбины обладают большой инерцией и хранят так много кинетической энергии, так что легко справляются с внезапными сбоями в подаче электроэнергии. Это можно сравнить с велосипедом, который продолжает катиться еще долго после того, как велосипедист перестал крутить педали.
Поддержка стабильности энергосистемы сегодня становится все более сложной задачей, поскольку мощности ветряных и солнечных электростанции постоянно растут.
Возобновляемые электростанции не обладают собственной инерцией турбинных электростанций, поэтому у них нет резерва энергии, который можно использовать в случае отказа генератора или отключения линии электропередачи. Это может привести к быстрому падению частоты и дестабилизации сети, и в худшем случае - к отключению электроэнергии.
Вредные выбросы.
В разных странах используются разные типы технологии производства электроэнергии, а также разные способы обеспечения стабильного энергоснабжения. В Норвегии, которая получает почти всю электроэнергию от гидроэнергетики, проблем с инерцией и перепадами частоты обычно нет. В других странах, таких как Франция, эксплуатирующих много ядерных станций, стабилизацию кинетической энергии в сети обеспечивают большие паровые турбины.
Большинство же стран, включая Великобританию и Ирландию, которые не используют энергию воды или атома, до недавнего времени были вынуждены эксплуатировать угольные или газовые электростанции для обеспечения стабильности энергосистемы. Практически, такие электростанции, работают только для стабилизации сети, так как энергия солнца и ветра покрывает все потребности этих стран в электроэнергии.
В результате возобновляемые мощности часто не используются в полном объеме. Системные операторы в целях безопасности запускают газовые или угольные электростанции, чтобы подстраховаться, и отключают ветряные турбины, которые могли бы вырабатывать электричество. Это выглядит «не логично», так как многие страны стремятся увеличить долю возобновляемых источников энергии с нынешних 40 процентов до 70 процентов к 2030 году. Мир стремится достичь такой цели, и специализированные компании «находятся в поиске решений», которые обеспечат стабильность глобальной энергосистемы без выбросов CO2.
Вращающиеся стабилизаторы.
Здесь на помощь приходит вращающийся стабилизатор или синхронный компенсатор. Эти устройства разработаны для обеспечения инерции, необходимой для стабилизации сети, и, без необходимости эксплуатации электростанций, работающих на ископаемом топливе. С помощью маховиков стабилизаторы «накапливают» кинетическую энергию так же, как и турбины.
Вращающиеся стабилизаторы - это большие электрические машины весом более 200 тонн. В то время как турбины на традиционных электростанциях преобразуют движение в электричество, вращающийся стабилизатор использует небольшое количество электроэнергии для компенсации потерь на трение и поддержание скорости вращения. Большой вес устройства создает максимально возможную инерцию. Чем больше инерция, тем медленнее будет изменяться частота системы во время серьезных отключений или перебоев в подаче электроэнергии.
Что делает вращающийся стабилизатор?
Периодические перебои, например, когда электростанция или питающая линия неожиданно отключаются от системы, могут вызвать дисбаланс в энергосистеме и повлиять на поток энергии, что, в свою очередь, может привести к отключению электроэнергии.
В таких ситуациях вращающиеся стабилизаторы подают кинетическую энергию в систему и стабилизируют частоту до тех пор, пока другие электростанции, батареи или гидроэлектростанции не увеличат выработку электроэнергии, и энергосистема снова сможет работать сбалансировано.
В других ситуациях при внезапном превышении мощности вращающийся стабилизатор может ее поглощать.
Долгосрочное «зеленое» решение.
В Великобритании вращающиеся стабилизаторы уже используются в парках «зеленых» сетей. Два таких парка строятся в Ките в Шотландии и Ливерпуле в Англии, а еще несколько находятся на стадии разработки.
Необходимо адаптировать сети к прогрессу, достигнутому возобновляемой энергетикой. Иногда в Великобритании приходилось отключать ветряные электростанции и эксплуатировать газовые электростанции, чтобы сохранить стабильность сети.
Во время работы вращающихся стабилизаторов нет выбросов парниковых газов. Ожидается, что две машины в Ките будут запущены осенью 2021 года, после чего начнется реализация проекта в Ливерпуле. Если проект окажется успешным, это откроет возможность для строительства ряда «зеленых» сетевых парков в Великобритании и других странах. Расположенные в стратегических точках вдоль энергосистемы, они помогут предотвратить перебои в подаче электроэнергии, обеспечить стабильность и, что не менее важно, сократить выбросы парниковых газов при производстве энергии.
Цель Великобритании - создать энергосистему без выбросов, которая сможет одновременно обеспечить стабильное и безопасное энергоснабжение домохозяйств, бизнеса и промышленности. Вращающиеся стабилизаторы предоставят возможность генерировать больше возобновляемой энергии собственного производства. Также, например, Великобритания сможет импортировать больше возобновляемой энергии по подводным кабелям с континента. Планируется строительство подводного кабеля из Норвегии в Англию, который предоставит доступ к возобновляемой норвежской гидроэнергетике для Великобритании и даст Норвегии электричество из британских ветряных электростанций, когда это будет необходимо.
Впереди игры.
Различные поставщики услуг уже получают контракты на обеспечение стабильности сетей, чтобы к 2025 году была создана безуглеродная энергосистема. Потребность в стабилизации сетевых услуг будет расти по мере увеличения производства возобновляемой энергии.
Италия выводит из эксплуатации ряд угольных электростанций и активно развивает возобновляемые источники энергии, и поэтому, вероятно, в ближайшее десятилетие столкнется с проблемами стабилизации энергосистемы.
Ни батареи, ни вращающиеся стабилизаторы не являются новой технологией, но использование их в качестве решений для стабилизации сети стало новым и инновационным.
Использование батарей для стабилизации энергосистемы.
Подобно вращающимся стабилизаторам или турбинным установкам, батареи могут использоваться для стабилизации частоты в энергосистеме, причем их можно использовать в комбинации. Батареи на самом деле являются самым быстрым решением для того, чтобы подать большое количество энергии в сеть в чрезвычайных ситуациях.
Только в течение 2020-2021 годов в Ирландии были введены в эксплуатацию два больших аккумуляторных парка. Один аккумуляторный парк в Килатмое работает уже в течение года и весной 2021 года «несколько раз сыграл решающую роль в стабилизации энергосистемы Ирландии».
Аккумуляторный парк в Килатмой, Ирландия.
Батареи могут подавать электроэнергию в сеть за доли секунды в случае падения частоты, и это самый быстрый из имеющихся резервов мощности.
Однако современные аккумуляторные технологии не подходят для долгосрочного хранения больших объемов энергии, чтобы справиться с длительными периодами низкой генерации ветра и солнца. В таких ситуациях в настоящее время лучше работают электростанции, использующие ископаемое топливо.
В настоящее время резерв аккумуляторных парков рассчитан примерно на полчаса работы, но в будущем планируется увеличить этот период до двух-четырех часов. Это способ позволяет стабилизировать сеть уже сегодня.
Батареи также могут обеспечить краткосрочное хранение избыточной энергии для продажи на рынке электроэнергии. Для долгосрочного хранения излишков энергии, получаемой от производства возобновляемой энергии, рассматривается и технология использования «зеленого» водорода. Водород может применяться в качестве топлива, а также для привода турбинных электростанций, которые оказывают стабилизирующее воздействие на энергосистему так же, как угольные или газовые электростанции.