Elektrárna Schwarze Pumpe
Především regulaci frekvence, tzv. primary frequency control (PCR – primary control reserve), bude mít za úkol nové bateriové uložiště energie o maximálním využitelném výkonu 50 MW vznikající v areálu hnědouhelné elektrárny Schwarze Pumpe v německé Lužici.
Historický vývoj regulace frekvence v Německu
Již od 1. prosince 2007 nakupují společně čtyři němečtí operátoři přenosu energie (50hertz Transmission, Amprion, TenneT a TransnetBW) systémové služby nazývané Primärregelleistung (PRL). Nejedná se o nic jiného než o zajištění určitého sjednaného výkonu pro regulaci frekvence. Tato služba má přesně definované předepsané parametry jako pohotovost náběhu, dobu poskytnutí, povinnost nejen dodávat do sítě, nýbrž i odebírat a především její automatický náběh nezávislý na řízení dispečinkem.
Zájemci o poskytování této služby musí splnit požadavky operátorů přenosové soustavy, mezi něž patří i minimální kapacita a povinná certifikace zařízení nezávislým auditorem. Dále musí projít tzv. prekvalifikací, která v praxi prokazuje způsobilost systému poskytovat nabízené služby. Pokud komerční subjekt všechny tyto požadavky úspěšně splní, je s ním uzavírána rámcová smlouva, jež definuje sjednané podmínky spolupráce.
Smluvní partneři pak nabízejí své certifikované kapacity v rámci pravidelně uveřejňovaných potřeb systémových operátorů na internetové platformě. Zpočátku byla využívána periodicita jednoho měsíce, od 27. června 2011 byla zkrácena na jeden týden. Výkonová rezerva je poptávána společně pro negativní i pozitivní regulaci, v rámci této služby tedy není možné buď jen do sítě dodávat, či jen odebírat. Dne 27. června 2011 byl rovněž snížen minimální možný nabízený výkon, a to z původních 5 MW na asi 1 MW.
K dalšímu významnému zlomu v popisované problematice došlo v letech 2012 až 2017, kdy ke společnému nákupu služby PRL/PCR plně či částečně přistoupily i další západní země jako Švýcarsko, Holandsko, Rakousko, Belgie a Francie. Tak vznikl evropský trh s celkovou potřebou kolem 1 350 MW. O přistoupení nyní aktuálně jedná i Dánsko.
Na počátku roku 2019 bylo pořízeno dokonce 1 470 MW regulačního výkonu. Každá země si zajišťuje svůj bázový podíl, přičemž může ještě vyvážet výkon rovnající se 30 % vlastní potřeby, avšak minimálně 100 MW. Pro export jsou tedy určeny následující kvóty: 100 MW Belgie, Holandsko, Rakousko a Švýcarsko, 181 MW Německo a 158 MW Francie.
Technické požadavky
Původně byly technické požadavky na připojení energetických zařízení do přenosové soustavy, a tedy i zařízení regulujících frekvenci, stanoveny v dokumentu spolku německých poskytovatelů přenosových služeb nazvaném TransmissionCode z roku 2003. V roce 2016 došlo k jejich evropské harmonizaci dokumentem „Nařízení Komise EU 2016/631“, obsahujícím požadavky na výrobní moduly připojované do distribuční soustavy. Tato směrnice byla následně v roce 2018 definitivně přejata do německé legislativy regulativem VDE-AR-N 4120. Zde se primární regulaci frekvence věnuje poměrně velká pozornost a je zde popsán rovněž proces prokazování shody a vydávání certifikátu zařízení.
Kromě toho vydali v roce 2015 čtyři němečtí operátoři přenosu dokument nazvaný „Anforderungen an die Speicherkapazität bei Batterien für die Primärregelleistung“, tedy Požadavky na úložnou kapacitu baterií pro primární regulaci frekvence. Zde je možné nalézt požadavky na poměr regulačního výkonu na připojovacím bodě a celkové kapacity baterií, tzv. Speicherverhältnis, pravidla pro ověřování použitelné kapacity patnáctiminutovými ověřovacími cykly atd.
Velmi přísné předpisy pro používání lithiových baterií stanovují i sami výrobci. Velký důraz je kladen na přísné dodržování pracovních a skladovacích teplot, stejně jako na zachování předpokládaného profilu nabíjení a vybíjení. Tyto parametry jsou v systému monitoringu důsledně ukládány a při případné reklamaci musí být doloženy. V případě nedodržení předepsaných hodnot či účelu použití je nekompromisně omezována záruka, či je dokonce zrušena.
Obří bateriový zásobník – nové šance pro lužický hnědouhelný region
V rámci plánovaného útlumu těžby hnědého uhlí a provozu tepelných elektráren v německé Horní a Dolní Lužici jsou intenzivně hledány nové možnosti pro zachování tamějšího energetického potenciálu. Tyto aktivity jsou silně podporovány spolkovou i regionální vládou Brandenburska a právě díky těmto počinům se rozvíjí také spolupráce Brandenburské technické university v Cottbusu a Senftenbergu a místního hnědouhelného koncernu LEAG. V rámci programu WindNODE byla od roku 2017 rozpracovávána myšlenka vybudování obřího bateriového zásobníku energie s pracovním názvem BigBatt a s uvažovanou kapacitou 50 až 70 MWh. Jako lokace byl určen areál moderní elektrárny Schwarze Pumpe poblíž městečka Spremberg.
Po získání příslibu dotace od zemské vlády a redukci kapacity na optimálních 50 MWh proběhlo v druhé polovině roku 2018 výběrové řízení na zhotovitele, z něhož vyšla vítězně s cenou kolem 25 milionů eur českobudějovická firma EGEM s.r.o. Ta nabídla technické řešení sestávající z 13 bateriových kontejnerů, 26 výkonových střídačů zapojených do 13 výkonových transformátorů a dobu výstavby do poloviny roku 2020.
Technické řešení
Základ technického řešení tvoří výkonné lithiové bateriové články na bázi nikl-mangankobalt (tzv. NMC) společnosti LG Chem s označením JP3. Ty jsou sérioparalelně propojeny a seskládány do zásuvných modulů umístěných po sedmnácti v rozvaděčových stojanech nazývaných racky. Osmnáctý, poslední horní modul tvoří jednotka BPU (battery protection unit). Napětí jednoho stojanu se sedmnácti moduly baterií dosahuje dle stupně nabití až 999 V. V oceloplechovém klimatizovaném kontejneru o délce 45 stop jsou vytvořeny dvě skupiny racků po dvaceti. Každá z těchto skupin má svůj střídač. Pro pozdější případné dodatečné navýšení kapacity je ke každé skupině přidán ještě jeden racek bez baterií. Všechny stojany jsou propojeny kabely do kabelových skříní a odtud do střídačů stojících na stanovištích vně bateriových kontejnerů. O řízení a monitoring jedné skupiny dvaceti stojanů se stará průmyslový počítač nazývaný battery system controller (BSC). Ten je dále propojen do nadřazeného systému řízení nazývaného energy management system.
Pro každý bateriový kontejner je směrem do středu bateriového uložiště na platformě umístěna jednotka sestávající ze dvou střídačů o výkonu 2940 kVA a jednoho transformátoru převádějící výstupní napětí střídačů 520 V na jmenovité napětí 20 kV. Třináct takových jednotek je dále vysokonapěťovým kabelem propojeno do rozvaděče 20 kV, který připojuje celé uložiště energie k blokovému transformátoru 110 kV. Ten je opět kabelem napojen již do připojovacího síťového bodu tvořeného zapouzdřenou rozvodnou GIS 110 kV.
Důležitým aspektem celého řešení je aplikace řízení a monitoringu. Z pohledu provozovatele zařízení bude bateriový zásobník ovládán a dohlížen z centrálního dispečerského pracoviště elektrárny Schwarze Pumpe. Zde je instalován moderní řídicí systém z provenience firmy Siemens SPPA-T3000. K němu je projektováno datové rozhraní pro výměnu základních informací a povelů. Samotná regulace frekvence ovšem po zadání tohoto režimu probíhá v souladu s požadavky síťového operátora a VDE 4120 plně automatizovaně. Znamená to, že po získání zakázky na daný týden je služba dispečerem aktivována a proces nadále běží bez jeho zásahu. Kontrolér bateriového uložiště měří v místě připojovacího bodu – rozvodny GIS 110 kV – frekvenci s přesností 0,001 Hz a sám rozhoduje, kdy energii dodávat či odebírat. Reakční doba je v řádech do jedné sekundy. V případě, že bude převládat jednostranný požadavek na regulaci, to znamená, že zásobník se blíží vybití či plnému nabití, dispečer rozhodne, v jakém okamžiku je vhodné kapacitu baterií vyrovnat k výchozím 50 %. Kromě provozního řízení je dále vytvořen servisní datový kanál, který umožňuje dálkovou diagnostiku a parametrizaci. Přes něj jsou mimo jiné zajišťovány zmiňované záznamy – logy provozních parametrů baterií. Výrobce požaduje ukládat po dobu jednoho měsíce zpětně tzv. krátkodobé logy v rastru 1 s a dlouhodobé s rastrem 1 min. Sledovány jsou zejména teploty každého modulu, operace s moduly (vybíjení/nabíjení) atd. Jak již bylo řečeno, vybočení z předepsaných parametrů má za následek omezení či ztrátu záruky.
Samozřejmě že servisní monitoring sleduje i ostatní zařízení. Plně datově integrovány jsou jednotlivé střídače, rozvaděč 20 kV, rozvaděč nízkého napětí, ochrana kabelu 110 kV, monitoring transformátorů a další funkce.
Zanedbána není ani ochrana proti požáru. Požární hlásiče, tlačítka a další nezbytné signály jsou plně komunikačně propojeny do elektrické požární signalizace elektrárny s nadřazeným dispečerským systémem TOPSIS V8. Tak má místní elektrárenská hasičská jednotka pravidelné informace o aktuálních stavech. Vzhledem k poměrně vysoké hustotě energie a velkému požárnímu nebezpečí jsou jednotlivé bateriové kontejnery odděleny protipožárními stěnami.
Při výstavbě je velký důraz kladen na bezpečnost práce a ochranu životního prostředí. Zabezpečena je ochrana zeleně a půdy. Pečlivě jsou sledovány a redukovány budoucí hlukové zátěže. Pro celý proces výstavby je zpracován plán organizace výstavby s přesnými technologickými
postupy.
Další možnosti zásobníku BigBatt
Kromě své základní funkce – regulace frekvence – je zařízení připraveno pro budoucí využití jako podpůrný zdroj pro start ze tmy elektrárny Schwarze Pumpe. Za tímto účelem jsou dva střídače (jeden vždy jako hlavní a druhý záložní) příslušné dvěma bateriovým kontejnerům vybaveny speciálními obvody pro vytvoření síťové frekvence. Od nich je pak dále nastartován celý zásobník v ostrovním provozu. Po příslušném nastavení vodivých cest GIS rozvodny je plánován start plynové turbíny a z ní dále start uhelné elektrárny o výkonu 2× 800 MW.
Hardwarové a softwarové vybavení umožní případně také poskytování dalších podpůrných síťových služeb, jako je vyrovnávání špiček, kompenzace jalového výkonu apod. Pro takovéto využití musí být baterie ovšem znovu překalkulovány a zřejmě by došlo k omezení jejich životnosti, neboť nyní jsou dimenzovány pouze na jeden adekvátní cyklus za den. Jedním cyklem je míněno jedno ekvivalentní plné nabití a vybití denně. Jen při takové maximální zátěži výrobce garantuje zachování parametrů po dobu minimálně deseti let.
Jak již bylo zmíněno, v bateriových kontejnerech je vytvořena rezerva dvou stojanů pro případné doplnění bateriových modulů. To může přijít v úvahu v případě rychlejšího stárnutí baterií a ztráty certifikovaných parametrů po pěti letech, kdy musí být opakována počáteční prekvalifikace zásobníku, či pokud by se provozovatel rozhodl navýšit prodávanou kapacitu. Samotná výměna či doplňování nových modulů není ovšem tak jednoduchá, jak by se mohlo na první pohled zdát. Při tzv. augmentaci, jak se tento proces odborně nazývá, je záhodno, aby v jedné skupině baterií připojené na jeden střídač pracovaly baterie přibližně stejně zestárlé, tedy s podobným vnitřním odporem. Proto se v koncepci případné augmentace pro uložiště BigBatt počítá s přemístěním všech modulů z poloviny jednoho kontejneru (dvacet racků) do volných stojanů v ostatních kontejnerech a vytvořením jedné nové skupiny pouze z nových baterií.
Navíc se počítá s ročním ověřováním poklesu kapacity kapacitním testem, který spočívá ve vybíjení plně nabitého zásobníku maximálním výkonem ve dvou vlnách po dobu 2× 15 minut s 15minutovou přestávkou a po další 15minutové pauze v následném vyčerpání disponibilní kapacity až do minimální možné hodnoty.
Příslib do budoucna
Četné úspěšné aplikace bateriových uložišť zejména v západní Evropě jsou spolehlivým příslibem perspektivy těchto technologií i do budoucna. Velký a zajímavý zásobník energie je např. v německém Langenreichenbachu nedaleko Lipska s instalovanou kapacitou 25 MWh. Zde je instalováno 10 500 ks bateriových modulů typu olovo-uhlík (leadcarbon) o hmotnosti kolem 950 tun. Pro srovnání: technologie použitá na Schwarze Pumpe bude mít 17 × (20 + 20) × 13 bateriových modulů, celkem tedy 8 840 kusů, o celkové hmotnosti baterií přes 400 tun. I toto malé srovnání svědčí o prudkém vývoji v oboru chemických uložišť elektrické energie.
Zajímavostí jsou i kombinované zásobníky. Jedním z nich je zásobník poblíž místní teplárny v Brémách, kombinující bateriové uložiště na bázi lithiových článků o celkové kapacitě 15 MWh a tepelný zásobník. Ve svých plánech jdou ovšem němečtí vědci a inovátoři ještě dál. Již nyní se připravuje velký projekt na tzv. hybridní uložiště složené z vodíkového zásobníku, palivových článků, baterií a superkondenzátoru. Jen taková poměrně nákladná opatření umožní do budoucna efektivní ústup od konvenční elektroenergetiky, zatěžující životní prostředí emisemi skleníkových plynů, na což je u našich sousedů kladen velký důraz.
Ing. Karel Toman
EGEM s.r.o.
