Vanadové redoxní baterie

Transkript

1 Vanadové redoxní baterie 1. Princip a charakteristiky, základní vlastnosti 2. Příklady instalace systému 3. Příklad využití pro stabilizaci výkonu větrné elektrárny 4. Co se očekává od inteligentních sítí Sumitomo Electric Ltd. 1

2 Princip vanadových redoxních baterií (VRB) nabíjení invertor / střídavého a stejnosměrného proudu článek vybíjení výkonová část (kw) / nádrž s elektrolytem / nádrž s elektrolytem úložná část (kwh) elektroda membrána čerpadlo kladná elektroda záporná elektroda nabíjení nabíjení V 4+ V 5+ + e - V 3+ + e - V 2+ VO 2+ vybíjení VO 2+ vybíjení 2

3 Důvod výběru vanadu vznik vodíku vznik kyslíku elektromotorická síla (1,4 V) Standardní potenciál (V) V 2+ V 3+ V 4+ V 5+ 3

4 Stavba a složení zásobníku s články koncová deska elektroda membrána bipolární deska vrstvy článků jednotlivý článek Řez zapojení do série koncová deska elektroda membrána bipolární deska záporný elektrolyt 1 článek 1 článek 1 článek kladný elektrolyt 4

5 Příklad systémové konfigurace baterie AC/DC invertor DC V 4 zásobníky s články zapojeny do série (2 zásobníky v 1 modulu) tepelný výměník (chlazení) kladná nádrž čerpadlo čerpadlo záporná nádrž kladná nádrž čerpadlo čerpadlo záporná nádrž Cirkulační systém elektrolytu je sestaven ze dvou modulů 5

6 Elektromotorická síla (V) Stav nabití (SOC)(%) Standardní vlastnosti nabíjecího a vybíjecího napětí nabíjení a vybíjení s konstantním proudem (70mA/cm 2 ) plocha elektrody cm 2 /článek x 108 zásobníků Základní provozní vlastnosti Napětí jednotlivého článku (V) Čas 6 Elektromotorická síla nabíjení vybíjení Napětí zásobníku (V)

7 Výhody baterie s průtokem elektrolytů bateria s průtokem elektrolytů baterie bez průtoku článek nádrž kladný elektrolyt P P záporný elektrolyt monito rovací článek tok elektrolytu čerpadlo (sytost barev znázorňuje odlišný stav nabití) jednotlivý článek Do všech článků proudí z nádrže shodný elektrolyt. Stav nabití jednotlivých článků se automaticky sjednocuje. snadné zvětšení i zvýšení kapacity Monitorovací článek umožňuje přesně měřit stav nabíjení i během nabíjení a vybíjení. Každý článek je samostatný (energie se uchovává odděleně). V důsledku rozdílů v samovybíjení, nežádoucích reakcích a degradačních vlasnostech jednotlivých článků dochází k výkyvům ve stavu nabití. Během nabíjení a vybíjení není možné přesně změřit stav nabití jednotlivých článků. 7

8 Charakteristiky vanadové redoxní baterie oddělená výkonová část (kw) a úložná část (kwh) velká volnost při projektování, snadné navýšení objemu jelikož reakce v baterii je pouze valenční změnou iontů vanadu, téměř nedochází k degradaci elektrolytu vlivem nabíjecích a vybíjecích cyklů, dlouhá životnost snadné spouštění a zastavování při provozu v normálních teplotách snadná údržba, jelikož je kladný i záporný elektrolyt stejná látka, jejich smíchání nezpůsobí žádný problém (bezpečnost) žádné samovybíjení v nádrži (možné dlouhodobé uložení el. energie) monitorování elektromotorické síly elektrolytu umožňuje přesně měřit stav nabití i během nabíjení/vybíjení, což je vhodné zejm. při nepravidelném provozu nabíjení a vybíjení vanad v elektrolytu je možné recyklovat 8

9 Realizované instalace systému Zákazník/místo instalace Využití Výstupní kapacita Rok Energetická spol. R&D kw x 2H Kancelářská budova R&D (vyrovnání zatížení) kw x 8H Energetická spol. R&D kw x 8H NEDO Verifikace stabilizace výkonu větrné elektrárny (větrná turbína) kw x 6H Stavební společnost R&D (instalace s fotovoltaickou elektrárnou) kw x 8H Výrobní závod Kompenzace poklesu napětí, zásoba pro špičkový odběr MW x 1.5sec, 1.5MW x 1H Energetická spol. R&D 250kW 2H 2001 Vysoká škola Vyrovnání zatížení kw x 10H Výzkumné středisko R&D kw x 2H Energetická spol. R&D 100kW x 1H Kancelářská budova Vyrovnání zatížení 120kW x 8H Vysoká škola Kompenzace poklesu napětí, vyrovnání zatížení 55kW 5h 2003 Železniční spol. R&D (vyrovnání zatížení, kompenzace poklesu napětí) 30kW x 3H Kancelářská budova R&D 100kW x 2H Datové středisko Kompenzace poklesu napětí, nouzový zdroj EE 300kW x 4H Výzkumné středisko Vyrovnání zatížení 170kW 8H 2004 Kancelářská budova Vyrovnání zatížení, nouzový zdroj EE při požáru 100kW x 8H Vysoká škola Vyrovnání zatížení, nouzový zdroj EE při požáru 125kW x 8H Energetická spol. R&D 152kW 2.6H 2005 Muzeum Vyrovnání zatížení, nouzový zdroj EE při požáru 120kW x 8H Energetická spol. R&D (instalace s fotovoltaickou elektrárnou) 100kW x 4H NEDO Verifikace stabilizace výkonu větrné elektrárny (větrná farma) 4MW x 1.5HMAX.6MW 9

10 (Venkovní typ) Systém pro vyrovnání energetického zatížení Příklady instalace systému (Interiérový typ) Systém pro vyrovnání energetického zatížení nádrže s elektrolytem (plastové) invertor AC/DC rozvaděč kontejner se zásobníky s články přízemí tepelný výměník kontejner se zásobníky podzemní jáma nádrž s elektrolytem kontejner se zásobníky 10

11 Příklady instalace systému Zásoba pro špičkový odběr a kompenzace poklesu napětí kompenzace poklesu napětí: 3MW x 1,5 s významná zátěž (výrobní linka polovodičů) kontejner se zásobníky zásoba pro špičkový odběr: 1,5 MW x 1 hod nádrže s elektrolytem pokles napětí v soustavě (1,5 sec) A/D D/A D/D napětí v soustavě napětí v el. vedení dodávajícím proud do místa zátěže významná zátěž vanadová redoxní baterie 11

12 Příklady instalace systému Hybridní systém s výrobou elektřiny ze slunce Stabilizační systém výkonu při výrobě elektřiny z větrné energie výkon větr. výkon po stabilizaci en. elektrická soustava WG vybíjení při poklesu výkonu soustava AC DC nabíjení při nárůstu výkonu usměrňovač chopper VRB VRB kontejner se zásobníky přebytečná energie chopper zatížení DC výroba elektřiny ze slunce solární panely kontejner se zásobníky nádrže s elektrolytem 12 invertor propojený se soustavou

13 Příklad stabilizace výkonu větrné elektrárny Výkon (kw) výkon větrné elektrárny kombinovaný výkon (= větrná energie + VRB) vybíjení nabíjení vstup/výstup VRB Čas 13

14 Aplikace při stabilizaci výkonu na větrné farmě leden únor 2008 (projekt NEDO) Tomamae Wind Villa (JPower) celkový výkon větrné elektrárny: 30,8 MW specifikace VRB max. výkon: 6 MW, výr. kapacita: 6 MWh blok článků řídící jednotka baterií invertor nádrž budova s bateriemi řídící panel 14

15 Konfigurace systému VRB 6 MWh G 6.6kV 66kV ~ 19 turbín G nádrže zásobníky s články VRB ~ - ~ - ~ - ~ - 1,5 MW x 4 bloky ~ - zásobníky s články96 (24/blok) nádrže s elektrolytem 32 (8/blok) čerpadla na elektrolyt 32 (8/blok) PCS 4 ks ostatní rozvaděč, tepelný výměník na chlazení atd. 15

16 Řídící tok VRB systemu 6 MWh řízení stabilizace výkonu celkový výkon větrné elektrárny příkaz pro vstup/výstup baterie cílový výkon VRB vstup/výstup baterie kombinovaný výkon korekce nabíjení/vybíjení (doplnění/vybití) monitor SOC SOC: stav nabití řízení zpětné vazby na kapacitu baterie 16 Dále obsahuje: řízení počtu bloků v provozu řízení změny časové konstanty pro stabilizaci

17 20 Příklad řízení zpětné vazby na kapacitu baterie pomocí monitorování stavu nabití (MW) Výkon (MW) výkon větrné elektrárny kombinovaný výkon 0 koresponduje s objemem nabití Napětí (V) monitorovacího článku (V) :00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22: elekřina dodatečného nabití/vybití :00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 17 vstup/výstup baterie

18 Příklad provozu s řízením počtu bloků s bateriemi Vstup/výstup baterie (po blocích) kw (kw) Výkon kw (kw) výkon větrné elektrárny kombinovaný výkon vstup/výstup baterie (za 4 bloky) blok 4 blok 3 blok 2 blok 1 18

19 Vliv časové konstanty stabilizace na nabíjení a vybíjení baterie časová konstanta pro řízení stabilizace Výkon (MW) výkon větrné elektrárny 10 kombinovaný výkon vstup/výstup baterie :00 15:15 15:30 15:45 16:00 16:15 16:30 16:45 17:00 Časová konstanta stabilizace (s) (sec) 19

20 Příklad provozu s řízením změny časové konstanty pro stabilizaci Výkon (kw) Rychlost větru (m/s) výkon větrné elektrárny kombinovaný výkon zastavení turbíny kvůli ochraně znovuspuštění turbíny vstup/výstup baterie vstup/výstup baterie v bloku 1 časová konstanta stabilizace Když se výrazně a prudce změní výkon větrné elektrárny, automaticky se zmenší časová konstanta. Čas. konstanta (s) 20

21 Odezva VRB - MWh Vstup/výstup baterie (MW) simulovaný signál výkonu větrné farmy zpoždění způsobené odezvou řídícím okruhem PCS vstup/výstup VRB vybíjení 6 MW nabíjení 6 MW Čas (msec) 21

22 Důvody vhodnosti využití VRB při výrobě elektřiny z větrné energie Je nutná velká baterie v řádu MW Vstup/výstup je nepravidelný a těžko předvídatelný kvůli závislosti na počasí Je nutná možnost reagovat jak na vysoký tak nízký provozní koeficient Je žádoucí stejná životnost jako je životnost větrné turbíny Snadné zvětšení i navýšení kapacity Možné přesně monitorovat ( řízení zpětné vazby) nabité množství i při nepravidelném nabíjení/vybíjení Umožňuje provoz zamezující ztráty při nízkém výkonu nebo dlouhém pohotovostním režimu Nedochází k degradaci elektrolytu vlivem cyklů nabíjení a vybíjení, dlouhá životnost Příklad provozu větrné farmy Tomamae (verifikační experiment NEDO) výkon větrné elektrárny Výkon (MW) vstup/výstup VRB Provozní čas nebo čas zastavení při nízkém výkonu je dlouhý snížení ztráty díky řízení průtoku čerpadel elektrolytu a řízení ON/OFF (v nádržích nedochází k samovybíjení) 22

23 Role akumulátorů v inteligentních sítích velká fotovoltaická elektrárna větrná farma malá lokální síť (micro-grid) domácnosti elektrárna akumulátory podniky 23

24 Hodnocení systému inteligentní sítě využívajícího kompaktní VRB systém stejnosměrný proud střídavý proud signály koncentrovaný fotovoltaický systém - CPV (1kW) větrná turbína (1kW) fotovoltaický systém (6kW) VRB (10kWh) DC/DC měnič DC/DC měnič DC/DC měnič inteligentní rozdělovač AC/DC Invertor DC/DC měnič rozhraní inteligentní odbočka (tap) dobíjecí stanice baterií supravodivý EV EMS server Sumitomo Electric, výrobní závod Ósaka hodnocení modelového systému inteligentní sítě (od června 2011) 24 kompaktní VRB systém 4 kw/10 kwh

25 Děkuji Vám za pozornost! 25