Сумісність системи накопичення енергії з мережею полягає в основному в тому, чи можуть ці акумуляторні системи підключитися до електричної інфраструктури, яку ми побудували 50-70 років тому, і все це не піде нанівець. Електромережа була розроблена в одному напрямку - електроенергія тече від електростанцій до вашого будинку. Кінець історії. Тепер ми намагаємося змусити його працювати з акумуляторами, які заряджаються, розряджаються та перемикаються між двома за лічені секунди.
Технічне визначення стосується параметрів напруги, частотної характеристики та гармонік. Але все зводиться до того, чи добре система зберігання працює з усім іншим, підключеним до мережі. Чи може він реагувати на сигнали оператора мережі? Чи створює це електричний шум, який виводить з ладу інше обладнання? Чи залишиться він стабільним, коли умови мережі зміняться?
Чому швидкість важливіша за місткість
Більшість людей зосереджуються на тому, скільки енергії може зберігати акумулятор. Це мегават-години (МВт·год). Але для сумісності з мережею не менше значення має номінальна потужність у мегаватах (МВт) і швидкість реагування.
Hornsdale Power Reserve у Південній Австралії продемонстрував щось важливе - їх акумуляторна батарея Tesla потужністю 100 МВт/129 МВт-год може збільшити потужність від нуля до повної за 140 мілісекунд. Традиційним піковим газовим установкам потрібно 10-15 хвилин, щоб запуститися та вийти на повну продуктивність. Ця різниця величезна, коли ви намагаєтеся підтримувати частоту мережі стабільною. Частота повинна залишатися між 49,9 і 50,1 Гц в Австралії (або 59,9-60,1 Гц в Північній Америці), а відхилення за межі цього діапазону можуть пошкодити обладнання або викликати каскадні збої. Дані teslamag.de показали, що ця батарея реагує на поїздку вугільної станції в Південній Австралії швидше, ніж будь-який інший ресурс в мережі.
Проблема частоти, яку ніхто не планував
Мережі працюють від змінного струму, який коливається з певною частотою. У Північній Америці це 60 Гц, у більшості інших місць – 50 Гц. Коли генерація та навантаження збалансовані, частота залишається стабільною. Коли відбувається раптова втрата генерації - електростанція відключається від мережі - частота падає. Традиційні електромережі впоралися з цим за допомогою обертових резервів, в основному електростанції, що працюють на недостатній потужності, які можуть швидко наростити.
Акумулятори змінили рівняння. Вони можуть подавати електроенергію майже миттєво, але також можуть так само швидко розряджатися, якщо їх не контролювати належним чином. Це створює нові проблеми сумісності, оскільки системи керування мережею були розроблені з урахуванням більш повільних характеристик реакції традиційної генерації.
Стандарти, які не можуть відповідати
IEEE 1547 є основним стандартом у США для підключення розподілених джерел енергії. Оновлення 2018 року мало виправити проблеми з версією 2003 року, яка була написана до-існування великомасштабного акумулятора. Але навіть стандарт 2018 року не охоплює всього, що потрібно робити системам зберігання.
Згідно з даними Каліфорнійського незалежного системного оператора, доступними на сайті caiso.com, на початку 2024 року встановлена ємність акумуляторів у Каліфорнії досягла 10 000 МВт. Більшість із цих установок виготовлені на основі фосфату літію та заліза (LiFePO4) із щільністю енергії близько 90-120 Вт·год/кг. Нижче, ніж 150-200 Вт·год/кг, яке ви отримуєте з батареями NMC, але більш стабільне при високих температурах і кращий термін служби для мережевих додатків.
Проблема полягає в тому, що кожна комунальна компанія додала власні вимоги до IEEE 1547. Hawaiian Electric має один набір правил. PG&E має різні. Те, що працює для встановлення батареї в Каліфорнії, може не відповідати вимогам у Техасі чи Нью-Йорку. Немає справжньої стандартизації, що робить збільшення обсягу сховища дорожчим, ніж повинно бути.
Інвертори – справжнє вузьке місце
Інвертор – це місце, де енергія постійного струму від акумулятора перетворюється на енергію мережі змінного струму. Це також контрольна точка сумісності. Сучасні мережеві інвертори потребують регулювання напруги, підтримки реактивної потужності, частотної характеристики та зв’язку з операторами мережі за допомогою таких протоколів, як DNP3 або Modbus. Деякі інвертори можуть все це добре робити. Інші не можуть.
Якщо у вас є кілька систем зберігання даних на одному ланцюзі розподілу, їхні інвертори можуть боротися один з одним. Одна система намагається підвищити напругу, інша – знизити. Це створює коливання, які можуть пошкодити обладнання або спрацювати захисні реле. Координація кількох інверторів вимагає складних систем керування, яких у більшості комунальних підприємств ще немає.
Реальні проекти, реальні проблеми
Згідно з документацією Pacific Gas & Electric на pge.com, сховище енергії Moss Landing у Каліфорнії наразі є одним із найбільших акумуляторних установок у світі - 3 000 МВт. Він може перемикатися з повного заряду на повний розряд менш ніж за секунду, що робить його цінним для регулювання частоти та керування піковим навантаженням.
Але сумісність не була автоматичною. PG&E довелося модернізувати трансформатори та захисне обладнання в точці з’єднання. Їм були потрібні нові системи керування для координації батареї з іншими генеруючими ресурсами. Проект зайняв три роки від затвердження до запуску, і значна частина цього часу була витрачена на дослідження інтеграції мережі та модернізацію інфраструктури.
Менші розподілені системи зберігання даних стикаються з різними проблемами. Житлові та комерційні системи повинні відповідати стандартам безпеки UL 9540 і UL 1973. Вони повинні дотримуватися місцевих електричних норм, які дуже відрізняються в різних юрисдикціях. Деякі місця потребують можливості швидкого вимкнення. Інші вимагають спеціальних вимикачів або систем пожежогасіння.
Вартість сумісності
Виконання вимог щодо з’єднання додає 15-20% до встановленої вартості системи зберігання. Це включає в себе спеціальне захисне обладнання, комунікаційне обладнання, дослідження якості електроенергії та плату за підключення до комунальних мереж. Для невеликих проектів ці витрати можуть повністю вбити економіку. Комерційна система зберігання на 500 кВт-год може мати сенс для зменшення плати за попит, але не в тому випадку, якщо вам доведеться витратити додаткові 50 000 доларів США на вимоги до з’єднання.
Німеччина має різні стандарти через VDE, які не відповідають вимогам IEEE. Обладнання, призначене для північноамериканського ринку, часто потребує модифікації обладнання, щоб працювати в Європі. Це фрагментує ринок і запобігає масовому виробництву економії на масштабах, яка призвела до зниження вартості сонячних панелей.
Що відбувається, коли батареї старіють
Літієві батареї деградують. Ємність зменшується, внутрішній опір зростає, а продуктивність з часом падає. Акумуляторна система, яка відповідала всім вимогам мережі, коли була новою, може мати проблеми після 5-7 років інтенсивної їзди на велосипеді.
Грід-коди насправді не враховують це погіршення. Система повинна залишатися сумісною протягом 10-15 років очікуваного терміну служби. Системи керування повинні адаптуватися до змін характеристик батареї. Деякі ранні установки накопичувачів стикаються з проблемами, коли розряджені батареї не можуть забезпечити час відгуку або рівні потужності, які вони спочатку обіцяли операторам мереж.
Немає стандартного підходу до вирішення цього. Деякі розробники проектів спочатку збільшують розмір своїх систем, плануючи деградацію. Інші використовують складні системи керування акумуляторами, які регулюють робочі параметри в міру старіння акумуляторів. Але це додає складності та вартості, чого не було в ранніх моделях проектів.
Виклик інтеграції відновлюваних джерел
Високе проникнення відновлюваних джерел створює круті пандуси, які сховище має впоратися. Коли ввечері виробництво сонячної енергії падає, батареї розряджаються, щоб заповнити прогалину. Коли вночі раптово посилюється вітер, батареї заряджаються, щоб поглинути надлишок енергії.
Координація цього між тисячами окремих систем зберігання — це проблема контролю, з якою мережі раніше не стикалися. Вам потрібен-моніторинг у реальному часі, швидкий зв’язок і алгоритми, які можуть оптимізувати розподіл між розподіленими ресурсами. Деякі регіони нарощують ці можливості. Інші все ще працюють на системах керування 1980-х років, які ледве справляються зі звичайним виробництвом, не кажучи вже про тисячі батарей, які можуть змінювати свою потужність за мілісекунди.
Інфраструктура, яку ніхто не хоче фінансувати
Прихильники зберігання говорять про те, що батареї дозволяють використовувати відновлювані джерела енергії. Це вірно лише в тому випадку, якщо мережева інфраструктура може обслуговувати двонаправлений потік електроенергії. У багатьох місцях це неможливо. Розподільні трансформатори розроблено для-одностороннього потоку електроенергії. Схеми захисту припускають, що струм пошкодження надходить від системи передачі, а не від акумуляторів у розподільній мережі.
Модернізація цієї інфраструктури коштує мільярди. Комунальні служби неохоче витрачають гроші на оновлення, які можуть не окупитися десятиліттями. Регулятори намагаються схвалити підвищення ставок для інфраструктури, яку клієнти безпосередньо не бачать. Тому обмеження щодо сумісності зберігаються, оскільки немає основи для підтримки того, що можуть робити системи зберігання.
Де речі стоять
Австралія та Каліфорнія навчилися більше, ніж де-небудь ще, про інтеграцію мереж{0}}сховищ. Їх масштабне розгортання виявило проблеми, які не були очевидними в пілотних проектах. Вони розробили кращі стандарти, удосконалили системи керування та навчили персонал комунального підприємства, який розуміє, як керувати мережами зі значною ємністю накопичувачів.
Але універсальної п’єси не існує. Те, що працює в Південній Австралії з його ізольованою мережею, може не застосовуватися до Техасу з його масивною взаємопов’язаною системою. Каліфорнійський підхід до управління ресурсами зберігання не поширюється безпосередньо на регіони з різними ринковими структурами чи нормативними рамками.
Робота над сумісністю системи накопичення енергії з мережею ще триває. Технологія існує. Стандарти покращуються. Досвід накопичується. Але щоб батареї працювали надійно з електричними мережами, які не були призначені для них, потрібен час, гроші та інституційне навчання, яке не можна поспішати. Деякі регіони зрозуміють це швидше, ніж інші, а ті, які цього не зроблять, платитимуть вищі витрати за менш надійні мережі, ніж вони могли б мати.