Ključne poruke i brzi uvid
  • Prelazak sa fosilnih goriva na obnovljive izvore zahteva ogromne rezerve energije koje peglaju fluktuacije proizvodnje iz sunca i vetra.
  • Baterijski sistemi za skladištenje energije (BESS) jedini mogu da reaguju na pad frekvencije mreže u roku od nekoliko milisekundi.
  • Virtuelne elektrane (VPP) softverski ujedinjuju hiljade malih kućnih baterija u jedan veliki blok energije koji operater može koristiti za stabilizaciju sistema.

Anatomija jedne krize: Zbog čega mreže postaju krhke?

Više od stotinu godina, nacionalne energetske mreže širom planete funkcionisale su na bazi jednostavnog principa velikih obrtnih masa (rotaciona inercija). Gigantske turbine u termo- i hidroelektranama teško se zavrte, ali zbog ogromne fizičke mase čeličnih rotora teških na desetine tona, kada se jednom zavrte, one služe kao gigantski zamajci nacionalne energetske mreže. Ta fizička rotacija obezbeđivala je stamenost, odnosno tromost na brze skokove. Ukoliko u vreme Dnevnika celokupan grad upali veš mašine i šporete, teški generatori u brani samo malo uspore, pad frekvencije se polako detektuje bez naglih prekida (skok u inerciji) pa inženjeri na brani pojačaju dovod vodene pare ili puste jači mlaz vode na lopatice i stabilizuju napon.

Međutim, energetska tranzicija (dekarbonizacija) okreće ovaj savršeni, teški i predvidljivi princip na glavu i stavlja ga pred tehnološki zid zvani "Obnovljivi Izvori (OIE)".

Zašto solarne farme i vetroparkovi izazivaju haos u mreži?

  1. Nemaju rotacionu inerciju: Solarni paneli stvaraju direktno, fotonaponski, jednosmernu struju koja u mrežu ulazi preko poluprovodničkih invertora, bez ikakvih pokretnih delova na 50 Herca mreže (veštačka konverzija (sintetička inercija), na softverski pogonjene smetnje oscilatornih faza).
  2. Fluktuacija prirode (Intermitencija): Izlazna snaga iz solarne elektrane zavisi od oblaka koji pređe preko polja – proizvodnja u jednoj sekundi sa maksimalnih 100 Megavata pada na mizeriju, a kroz tri minuta kad oblak ode, vraća se pun udar na mrežu. U piku dnevnog sunca (podne), viška energije ima toliko da cene struje na berzama idu u minus (trgovci plaćaju nekome da skloni struju). Ali čim dođe zalazak sunca, struja umire, a potražnja građana eksponencijalno raste (takozvani problem "Patkine krive" - Duck Curve, koja se obeležava na berzanskim dijagramima proizvodnje u Kaliforniji).

Tu nastupa nužnost tehnologije za skladištenje – BESS (Battery Energy Storage Systems).

BESS postrojenja: Milisekundni spasioci

Da bi današnja Smart Grid arhitektura uopšte preživela napon sa vetra i sunca (i stabilisala se) moraju joj se ponuditi kapaciteti (Bufferi) sposobni da reaguju munjevito. Gasne turbine i elektrane na vodonik mogu se paliti radi balansiranja mreže (kao takozvane peaking plants), ali njihov odziv se i u najboljem režimu rada ("Spinning Reserve" režimu) meri u desetinama sekundi pa i minutama dok gas komprimuje smešu i pali turbine do optimalnih pritisaka.

Megavatni, kontejnerski paketi baterija ne podležu zakonima mehanike, i samim tim oni isporučuju rešenje momentalno:

  1. Frequency Regulation (Regulacija Frekvencije): Kada mrežna frekvencija padne ispod 49.8 Hz u mrežama centralne Evrope (ENTSO-E), invertori spojenog masivnog baterijskog parka preuzimaju komandu i ubrizgavaju gigavatsatnu injekciju snage (ubrzavaju povratak frekvencije nazad na 50.0 Hz) u roku od 20 do 200 milisekundi. Baterija ne mora da se okreće niti vrti - elektroni i joni prosto jurnu napred pod punim naponom u realnom vremenu.
  2. Arbitraža energije i Peak Shaving: Nacionalne BESS farme apsorbuju ogroman podnevni višak sunčane energije (Kada je cena nula (0) po mWh), napune se do stotke. Zatim na prvi sumrak, kad sva solarna polja prestanu sa radom a krene potražnja građana i svetla, prodaju istu tu struju u piku večeri po maksimalnim tarifama cene struje (Arbitraža cene). Zato se baterijski biznis komercijalno otplaćuje velikom brzinom na berzama.

Virtuelne elektrane: Cloud inteligencija nad masovnim uređajima

Umesto izgradnje ogromnih kompleksa baterija na jednom polju, inovatori iz Tesle, Sonnen-a i drugih Smart-Home pionira došli su do zapanjujućeg logičkog zaključka: Zašto ne iskoristiti baterije građana koji već imaju instaliran solar u dvorištu, stvorivši superkompjuter za mrežnu stabilnost preko interneta?

Ovo rađa koncept VPP – Virtual Power Plant (Virtuelna elektrana).

To je revolucionaran princip integracije decentralizovane (distribuirane) energije. Svaki komšija koji ima pametni hibridni solar u kući i 10 kilovat-sati u svojoj garaži, spojen je Wi-Fi-jem (pametnim aplikacijama, APIs, i Smart Meter senzorima napona) sa glavnim softverom elektrodistribucije (Transmission System Operator - TSO) u državi.

Kada nacionalnoj mreži zafali ogromna snaga u trenutku incidenta (na primer: ispadne veliki nuklearni reaktor usled kvara na pumpi), nacionalni distributivni Cloud pošalje "komandu" (Signal for activation) putem optičke i mobilne mreže u softvere hiljada kuća u regiji u tačnoj milisekundi. Umesto da operater pali velike zagađujuće toplane na dizel koje bruje kroz gradove (kao backup u slučaju opšte havarije), operaterov kompjuterski algoritam daljinski izvlači po skromnih par stotina Wati energije istovremeno iz baterija iz 500,000 prijavljenih kućanstava. Zbirno, ovaj mikro-prinos iz stotina hiljada domaćinstava na teritoriji države u istoj sekundi daje snagu ekvivalentnu čitavoj jednoj elektrani (Npr. 250 Megavata ukupne stabilne snage). Zato se ovaj decentralizovan klaster domova softverski zove elektranom, uprkos tome što su uređaji raspršeni po mapama gradova (zato i jeste "Virtuelna" elektrana).

Ekonomska metrika - Trgovanje domacinstava na mrezama

U ovim revolucionarnim ekosistemima sa modelom "Win-Win" rešenja (kakvi uspešno funkcionišu u Australiji, Južnoj i severnoj Americi kroz programe takozvanog "Demand Response" servisa):

  • Vlasnici se prijavljuju dobrovoljno da bi sistem VPP smeo daljinski koristiti deo njihovih zaliha unutar garaža zamenjujući mrežne havarije za novac ili "grid-credits" na kraju meseca.
  • Distributer obezbeđuje besplatne mesečne subvencije ili u nekim regijama drastično jeftinije komplete, sve samo da se kupac uključi. Zbog ovog obostranog ugovora, investicija od 5,000 do 10,000 evra unutar solarnih farmi sa hibridnim baterijama vraća se za (ROI – Return of Investment) ne za 10, već u idealnim pametnim tarifama i trgovini povrata na 5 do 6 godina. Vaša oprema bukvalno trguje po internet ceni sa berzom.

Korišćenje distribuiranih (V2G, i VPP kućnih baterija) ne samo da pruža potpunu neovisnost u ruralnim zajednicama već stvara apsolutnu, ultra pouzdanu otpornost gradova koja čini padove (blackout-e) apsolutno nemogućim. Bez implementacije ovih pametnih mreža na bazi baterija, celokupna zelena arhitektura bazirana na vetrenjačama i fotonaponskim zracima bila bi katastrofalno neodrživa tehnološka iluzija koja puca pod prvim nevremenom.

Reference i naučni izvori
[1]
Linden, D., & Reddy, T. B. (2011). Linden's Handbook of Batteries. McGraw-Hill Education. ↩
[2]
Lund, P. D., et al. (2015). Review of energy system flexibility measures to enable high levels of variable renewable electricity. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 45, 785-807. ↩
[3]
Palizban, O., & Kauhaniemi, K. (2016). Energy storage systems in modern grids—Matrix of technologies and applications. Journal of Energy Storage, 6, 51-68. ↩
Česta pitanja i odgovori
Šta je to regulacija frekvencije u elektroenergetskom sistemu?

Frekvencija u mreži (50 Hz u Evropi) zavisi od savršenog balansa između proizvedene i potrošene energije. Ako se odjednom upali mnogo potrošača, ili vetar prestane da duva, frekvencija pada, što može izazvati potpuni kolaps sistema (Blackout).

Zašto se ne grade nove termoelektrane i hidroelektrane za balansiranje mreže?

Termoelektranama (ugalj, gas) treba puno vremena (od 15 minuta do par sati) da promene svoju snagu i prilagode je mreži. U hidroelektranama taj proces je brži, ali su lokacije i vodni resursi jako ograničeni, dok baterija može izbaciti 100 MW snage u samo par milisekundi.

Šta je Virtuelna elektrana (Virtual Power Plant - VPP)?

To je cloud softverska infrastruktura (IOT oblak) koja povezuje vaš kućni inverter i bateriju sa nacionalnim operaterom. U trenutku stresa u mreži, dispečer daljinski naređuje milionima kuća da povuku po malo energije i tako zajednički kompenzuju preopterećenje.

Da li ja imam ekonomsku korist da moja kućna baterija bude u VPP mreži?

Da! Mnogi nacionalni distributeri u SAD-u, Velikoj Britaniji i Australiji vlasnicima baterija za to plaćaju (finansijski ih nagrađuju), tako da vaša baterija faktički 'radi' i trguje strujom za vas smanjujući vam račun.