Сегодняшнее развитие электроэнергетики предусматривает все большее внедрение возобновляемых источников энергии. Также продолжаются разработки в области улучшения качества и надежности электроснабжения.
Как один из вариантов решения данных задач используется идея создания подстанций с аккумуляторными батареями большого объема поблизости от потребителей. В этой статье представлено одно из решений, которое запланировано к вводу в эксплуатацию в 2016 году в Германии.

Немного истории

Разработка подобных проектов началась в 1980-х годах. В то время Западный Берлин имел абсолютно автономную систему электроснабжения и для поддержки частоты была построена в 1986 году Batterie-Speicherkraftwerk Berlin-Steglitz, в переводе — «электростанция на батареях». Данная станция была закрыта уже в 1994 году, после объединения энергосистем.

Станция имела следующие характеристики:

Пиковая мощность	17 МВт
Выдача пиковой мощности	20 мин
Максимальная хранимая энергия	14,4 МВтч

Станция состояла из 7080 свинцовых аккумуляторов в 12 параллельных ветвях по 590 аккумулятора в каждой.

Существующие технологии

На сегодня массово на рынке для подобных решений используются либо упомянутые выше свинцово-кислотные аккумуляторы, либо литий-ионные. Из последних можно вспомнить такие решения в Германии:

• В г. Шверин Samsung установил батарею аккумуляторов на 5 МВтч с пиковой мощностью 5 МВт. Батарея состоит из 25600 аккумуляторов с химическим составом литий-оксид-марганца. Заявленный срок эксплуатации 20 лет [2]
• В Дрездене была установлена батарея аккумуляторов от LG Chem с характеристиками 2 МВт / 2,7 МВТч. Батареи типа JH2. К сожалению маркетинг здесь тоже взял свое и LG нахывает эти батареи полимерными, хотя они самые обычные литий-ионные в не жестком корпусе (pouch bag cells). Заявленный срок эксплуатации 10 лет [3]
• В Фельдхайме была принята в эксплуатацию крупнейшая в Европе (10 МВт пик, 6,5 МВтч энергии) регулировочная электростанция. Выполнена из 3360 модулей, произвеженных LG Chem [4]

Но как и в любой технологии всегда есть недостатки. Для всех аккумулирующих технологий справедливо следующее: или мы получаем большую мощность и малый объем хранимой энергии, или наоборот. Это справедливо как при сравнении различных технологий, так и в середине одной группы одинаковых по химическому принципу (хотя здесь разница зачастую не столь велика). Также важна ценовая политика и затраты на эксплуатацию.

Потому возникали и продолжают возникать идеи по комбинации различных типов аккумуляторов. Например, в Брадерупе была введена в эксплуатацию гибридная установка из литий-ионных аккумуляторов (мощность 2 МВТ, сберегаемая энергия 2 МВТч) и ванадиевая окислительно-восстановительная батарея (Vanadium-Redox-Flow-Batteriespeicher, 330 кВт и 1МВтч). Литий-ионная батарея создана Sony, ванадиевая — Vanadis Power, проект и система управления — Bosch [5].

Цель статьи — описать один из таких гибридных проектов, а именно комбинацию литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов.

Мотивация проекта

Для стационарных установок вес и объем не самый важный фактор, потому здесь преимущество литий-ионных аккумуляторы не играет большой роли. В то же время токи, которыми можно заряжать и разряжать эти аккумуляторы выше, чем применимые для аналогичных по емкости свинцово-кислотных. Главный же недостаток — стоимость установки и эксплуатационные затраты.

Здесь важно вспомнить, что речь идет о энергетике, где речь идет не о 5-6 годах, а о 10 и выше, вплоть до 30 лет для сетей среднего напряжения (где подобные установки и используются на сегодня). В таком случае выгода литий-ионного аккумулятора нивелируется фактом более дешевого (хоть и более частого) обслуживания свинцовых аккумуляторов. Отмечу, что обслуживания, не замены. Фактически в таких системах свинцовый аккумулятор без замены работает до 9 лет минимум в чрезвычайно неблагоприятных условиях (низкие температуры в Альпах), что уже сопоставимо со сроком службы литий-ионных аккумуляторов.

Потому было принято решение реализовать гибридную установку для покрытия как внеплановых скачков, так и запланированных для сглаживания графика потребления.

Характеристики

Характеристики установки заключены в ее названии — М5ВАТ. Запланировано что пиковая мощность составит 5 МВт, максимальное количество хранимой энергии — 5 МВтч. Также цифра 5 используется для сокращения следующего названия: Modularer multi-Megawatt multi-Technologie Mittelspannungsbatteriespeicher — Модульная многомегаваттная аккумуляторная система хранения энергии среднего напряжения с использованием нескольких технологий (английский вариант также хорош в плане пяти М подряд — Modular Multimegawatt, Multitechnology Medium-Voltage Battery Storage System).
Техническая цель — выработать подход к созданию модульных систем.

Здесь также сделаю небольшое отступление-напоминание. Чем быстрее разряжается батарея, тем меньше энергии можно из нее получить. Такое справедливо для всех типов химических аккумуляторов. В интернете есть масса рисунков, показывающих данную зависимость. Ниже представлен одиз из них:


Вторая, не менее важная цель, экономическая — создать оптимальную систему, дешевле чисто литий-ионной, но не уступающей по эффективности в реальной работе в электрической сети.

Использованные компоненты

Литий-ионные аккумуляторы

Производителем выступила компания Beta-motion. Компания выступает разработчиком систем, но не производителем. К сожалению, найти достоверную информацию о типе ячеек не удалось, кроме информации об использовании керамического сепаратора.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Использовались следующие модели производства Exide:

Название	16 OCSM 2320 LA	602 1960C Solar
Технология	CSM (Copper Stretch Metal)	VRLA gel
Число циклов	н.д.	2400
Срок эксплуатации	20 лет	н.д.
Номинальная емкость, 1 шт	4180 Втч	3670 Втч

Более полные характеристики можно найти тут: 16 OCSM 2320 LA и 602 1960C Solar.

Слева 16 OCSM 2320 LA, справа 602 1960C Solar

Инвертор

Производитель SMA, два инвертора мощностью 630 кВА каждый. Они были разработаны с более широкими возможностями чем стандартные. Но основные характеристики в целом не должны были изменится. Так как проверить эту информацию не получилось, то даю подробные данные на стандартные модели по ссылке.

Дальнейшее будущее проекта

После пуска в эксплуатацию запланирована работа на протяжении года. Будет проводиться как отработка технической части, в частности надежность и общая способность работы в требуемом режиме для сглаживаний пиков, так и работа в энергорынке. На основании исследований будет принято решение о дальнейшей судьбе проекта.
На основании проекта будет выработан подход к модульной системе для использования в электрических сетях.

Участники проекта

Проектанты

Institute for Power Generation and Storage Systems RWTH Aachen University — Институт электрогенерации и накопительных систем Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена.
Institut fur Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft RWTH Aachen — Институт электрических систем и энергетики Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена.

Промышленные партнеры

E.On — один из крупнейших операторов магистральных сетей в ЕС.
Exide Technologies — производитель VRLA гелевых и Kupferstreckmetalltechnologie (технология расширяющейся меди) аккумуляторов.
SMA Solar Technology AG — поставщик инверторов.
Beta-motion — производитель литий-ионных аккумуляторов. Не указан в списке партнеров на основном сайте.

Источники

1. Официальная страничка проекта M5BAT
2. Аккумуляторная электростанция 5 МВтч в Шверине
3. Аккумуляторная электростанция 2 МВтч в Дрездене
4. Региональная регулирующая электростанция Фельдхайм, 6,5 МВтч
5. Гибридная LiIon-RedOx батарея в Брадерупе