Распределительные устройства, щиты и другие НКУЭ в системах резервирования энергии возобновляемых источников.

Текущий тренд технологий электроэнергетики – разработка (и совершенствование) систем накопления (резервирования) электроэнергии и это обусловлено тем, что используемые в распределенной генерации новые источники энергии опираются в основном на возобновляемые ресурсы, но пики выработки далеко не всегда соответствуют спросу и, как правило изменяются в интервалах от суток, недель до года, а значит необходимо резервирование.

«Традиционное» резервирование электроэнергии для ветровых, солнечных, геотермальных станций с помощью электрохимических систем (преимущественно новых типов аккумуляторных батарей, включая ванадиево-окислительно-восстановительные проточные батареи VRB - Flow batteries or Vanadium-Redox Flow Battery) продолжает использоваться в качестве резервных источников питания объектов, инфраструктур, включая популяризуемые в нашей стране Smart Grid. Однако наряду с этим внедряются механические (супермаховики), гидравлические (Pumped Hydro Energy Storage - PHES), пневматические Compressed Air Energy Storage - CAES), термические (Thermal energy storage - TES), электромагнитные (Super capacitor energy storage - SES), магнитные (Superconducting Magnetic Energy Storage - SMES) системы, а также установки аккумулирования водородной энергии (Hydrogen energy storage - HES).

Причем для систем аккумуляторного хранения энергии (Battery Energy Storage System - BESS) сегодня разработаны собственные автоматические системы контроля и управления (Battery Management Systems - BMS), которые отслеживают, контролируют и оптимизируют производительность отдельного или нескольких аккумуляторных модулей в системе хранения энергии, состоят из отдельных функциональных блоков, коммутируемых с контроллерами сети BESS и размещаемых в шкафах распределительных устройств (РУ). BMS обеспечивает определение режима работы, мониторинг неисправностей, аутентификацию и идентификацию системы, защиту от перенапряжения и перегрузки по току аккумулятора/ячейки, неисправности изоляции, высокой/низкой температуры и т.д., безусловно посредством контроллеров, датчиков, исполнительных механизмов в РУ и/или распределительных щитах или иных типов НКУЭ (см. более детально о низковольтных комплектных устройствах управления энергией здесь) более низкой иерархии в соответствии с топологией и архитектурой сети.

Распределительные устройства, щиты и другие НКУЭ в прогрессивных системах резервирования энергии возобновляемых источников.

Кроме BESS в Smart Grid в качестве систем накопления электроэнергии сегодня популярны:

• супермаховики, которые накапливают электрическую энергию в виде кинетической и состоят из:
  - маховика, который вращается с очень высокой скоростью;
  - встроенной электрической машины, которая может работать либо как двигатель для раскрутки маховика и, соответственно, резервирования энергии, либо как генератор для производства электроэнергии, используя кинетическую энергию маховика;
  - магнитных подшипников и вакуумной камеры, которые помогают снизить потери энергии;
• системы Pumped Hydro Energy Storage (PHES), состоящие (упрощенно) из насосных станций с двумя большими резервуарами для воды (верхним и нижним), электрической машины (двигатель/генератор) и реверсивной насосно-турбинной группы.
  В целом это хорошо известная технология, работающая «обратно» в сравнении с традиционными гидроэлектростанциями, т.е. в непиковые часы электроэнергия используется для перекачки воды в резервуар, расположенный на большей высоте, а в часы пика потребления вода, хранящаяся в верхнем резервуаре, проходит через гидравлическую турбину, вырабатывающую электроэнергию, которая подается в сеть.
  Время перехода между состояниями генерации и накопления должно быть максимально возможно коротким, чтобы реагировать на внезапные изменения требований к мощности. Основными преимуществами являются низкая стоимость энергии и возможность частотного регулирования, а сами системы часто интегрируются с ветровыми станциями, что позволяет передавать электроэнергию из возобновляемых источников конечным потребителям.
  
  
  Рис. Системы Pumped Hydro Energy Storage в комбинации с ветровыми турбинами станции генерации энергии из возобновляемых источников;
• системы Compressed Air Energy Storage (CAES), сама концепция которых заключается в сжатии воздуха с использованием недорогой энергии, резервирования сжатого воздуха и производства электроэнергии генератором турбин, “раскручиваемых” сжатым воздухом.
  В CAES для хранения сжатого воздуха могут использоваться подземные геологические формации (соляные, воздушные карманы, полости, водоносные горизонты) или резервуары, большие трубы на площадках (для небольших установок). Когда воздух сжимается для хранения, его температура увеличивается и этот метод называется адиабатической системой хранения, обеспечивает высокую эффективность. Однако если тепло, выделяемое при сжатии, теряется, то воздух необходимо дополнительно нагревать, поскольку эффективность работы турбины прямо пропорциональна абсолютной температуре воздуха на впуске. Электрические характеристики CAES оцениваются путем расчета количества электроэнергии, которое может быть выработано на единицу объема резервуара-хранилища.
  
  
  Рис. системы Compressed Air Energy Storage, комбинированные с ветровыми станциями;
• системы Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES), состоящие (упрощенно) из криогенно охлаждаемой катушки (трансформатора) с обмоткой из сверхпроводящего материала, ШИМ преобразователя, системы кондиционирования и охлаждения.
  Энергия сохраняется в магнитном поле, создаваемом потоком постоянного тока в катушке, и резервируется до тех пор, пока работает охлаждение. Основным преимуществом SMES является ее высокая эффективность, и ее можно применять в системах, требующих непрерывной работы и большого количества полных циклов разгрузки/нагрузки. В системах преобразования энергии ветра SMES обычно не используются из-за того, что катушка очень чувствительна к изменениям температуры, но популярна в солнечных станциях, где SMES демонстрирует высокий КПД, поскольку сверхпроводящая катушка практически не имеет потерь.
  
  
  Рис. система Superconducting Magnetic Energy Storage;
• система аккумулирования водородной энергии (HES). Резервирование анергии с помощью водорода пока считается ключевой технологией, позволяющей использовать возобновляемые источники энергии для производства электроэнергии, включая ветровые и солнечные станции.
  Водород является элементом с наибольшей энергией на массу по сравнению с другими, и может резервироваться в сжатом, сжиженном состоянии или в гидридах металлов, однако для длительного хранения необходимо использование электролизеров, соединенных с резервуаром для хранения водорода.
  РУ, распределительные щиты и другие НКУ (Э) в системах Hydrogen energy storage могут быть типовыми или включать дополнительные компоненты в виде отдельных устройств, функциональных блоков в зависимости от архитектуры, топологии и требуемых свойств HES.