Iespējamo tehnisko un ekonomisko risinājumu izpēte energosistēmas darbības stabilitātes nodrošināšanai augsta atjaunojamo energoresursu īpatsvara apstākļos

6.05.2021. Līdz 2050. gadam Baltijas valstis plāno līdz pat 100% palielināt enerģijas ražošanu no atjaunojamiem enerģijas avotiem. Lai to īstenotu, nepieciešams veikt virkni tehnisko pasākumu elektroenerģijas sistēmas darbības stabilitātes un elektroapgādes drošuma nodrošināšanai, un viens no šādiem pasākumiem ir enerģijas uzkrāšanas bateriju uzstādīšana, liecina Japānas enerģētikas uzņēmuma TEPCO Power Grid Inc. pēc Baltijas valstu pārvaldes sistēmu operatoru - Lietuvas "Litgrid", Latvijas AS "Augstsprieguma tīkls" (AST) un Igaunijas "Elering" pasūtījuma veiktais pētījums, kura laikā tika analizēti iespējamie tehniskie un ekonomiskie pasākumi energosistēmas darbības stabilitātes nodrošināšanai šādos apstākļos.

Pētījums parāda, ka akumulatoru jeb enerģijas uzkrāšanas bateriju sistēmu (BESS – angl. Battery Energy Storage System) attīstīšana ir labākais veids, kā Lietuvai, Latvijai un Igaunijai nodrošināt stabilu un drošu savu elektroenerģijas sistēmu darbību laikā, kad līdz pat 100% elektroenerģijas tiktu saražota no atjaunojamiem enerģijas avotiem. Konkrēti, tīklu veidojošo bateriju sistēma ar 240 MW jaudu palīdzētu pārvarēt sinhronās inerces trūkumu, kas saistīts ar sinhrono ģeneratoru jaudu būtisku samazināšanos energosistēmā un vēja un saules ģenerācijas izmantošanas būtisku pieaugumu.

Pētījuma galvenais mērķis bija izveidot tehniski drošu un ekonomiski pamatotu modeli un identificēt nepieciešamos pasākumus, lai Baltijas valstīs nodrošinātu nepārtraukti sabalansētu ģenerāciju un patēriņu un frekvences regulēšanu, virzoties uz 100% atjaunojamās enerģijas īpatsvara mērķi līdz 2050. gadam. TEPCO pētīja sintētiskās inerces izmantošanu no augstsprieguma līdzstrāvas savienojumiem, BESS sistēmām un no vēja un saules elektrostacijām.

Japānas pārvades sistēmas operatoram TEPCO Power Grid ir liela pieredze elektroapgādes, apkalpes un attīstības pakalpojumu sniegšanā, ieskaitot sistēmas darbību ekstremālos apstākļos. Uzņēmums ir atbildīgs arī par drošu elektroapgādi mazās, izolētās salās un piedalās atomelektrostaciju aizstāšanā ar atjaunojamiem enerģijas avotiem.

TEPCO ekspertu komanda apkopoja informāciju par pašreizējo situāciju un jautājumiem, kas saistīti ar Baltijas valstu iespējām ģenerācijas un slodzes bilances nodrošināšanā un frekvences regulēšanā, izprotot Baltijas valstu vajadzības un nodrošinot nepieciešamo tehnoloģiju un zināšanu bāzes izveidi.

Ekspertu grupa ir izstrādājusi BESS ar sintētiskās inerces funkciju un HVDC savienojumu simulācijas modeļus, kas tiek uzskatīti par spēcīgu instrumentu inerces reakcijas un frekvences regulēšanas nodrošināšanai. Tāpat tika izstrādāts nopietns avārijas situāciju scenārijs un ar dinamisko simulāciju palīdzību aprēķināts nepieciešamais BESS apjoms, kas jāuzstāda stabilai frekvences regulēšanai.

Pētījumā konstatēts, ka frekvences izmaiņas ātruma (RoCoF) un zemākā frekvences nosēduma punkta (Nadir) uzlabošanas pasākumiem nepieciešamā BESS jauda ir 240 MW tīklu veidojoša tipa BESS un 400 MW tīklam sekojoša tipa BESS tipam. Tā kā tīklu veidojoša BESS tipam ir ātrāka reakcija un tas efektīvāk uzlabo RoCoF, TEPCO eksperti rekomendē Baltijas valstīs ieviest tīklu veidojoša tipa 240 MW BESS.

Modelēšana arī parādīja, ka, papildinot HVDC saites ar frekvences vadības funkciju, bija iespējams nodrošināt pieļaujamās RoCoF un frekvences nosēduma vērtības, neieviešot papildu BESS, lai gan šādam risinājumam ir noteiktas ēnas puses. Augstāka reakcijas pieauguma iestatīšana regulatorā var uzlabot HVDC saites ietekmi uz frekvenci, taču šādam iestatījumam ir nepieciešama vienošanās ar kaimiņu sistēmu PSO, kurus savieno HVDC starpsavienojumi, jo augsts reakcijas pieaugums rada lielāku ietekmi uz kaimiņu sistēmu. Turklāt tādā gadījumā iepriekš ir jāierobežo tirgus jaudas, lai rezervētu pietiekamu HVDC jaudu frekvences reakcijas regulēšanai.

Saskaņā ar pētījumu, ja HVDC saites ir aprīkotas ar frekvences regulēšanas funkciju, frekvences novirzes gadījumos ir jāsaskaņo HVDC saites reakcija ar BESS reakciju. Tas nodrošina stabilu sistēmas frekvenci avārijas gadījumos, piemēram, ģeneratora atslēgšanās gadījumā.

Lai vēja un saules elektrostacijām būtu inerciāla reakcija, TEPCO eksperti iesaka BESS jaudu līdz 2,8% no elektroenerģijas ražošanas jaudas. Elektrostacijās ar nelielu enerģijas ražošanas jaudu BESS var būt grūti uzstādīt no ekonomiskā viedokļa. Lai nodrošinātu inerciālu reakciju ar noteiktu rezervi, vēlams uzstādīt BESS ekvivalentu apmēram 5% no elektroenerģijas ražošanas jaudas lielākās elektrostacijās. Ja netiek izmantoti citi pasākumi (piemēram, sinhronie kompensatori), šo skaitli varētu palielināt līdz 10%. Tāpēc vērtības no 5% līdz 10% no elektroenerģijas ražošanas jaudas būtu jāuzskata par labākajiem kandidātiem turpmākajam pētījumam par vislabāko BESS jaudas ekonomisko vērtību.

Izmaksu un ieguvumu analīzes rezultāti gadījumiem, kad nepieciešamo sistēmas inerci sedz ar gāzi darbināmas elektrostacijas iekārtas, un gadījumos, kad sistēmas inerces segšanai tiek izmantotas tīklu veidojošas BESS, ir šādi: Neto Pašreizējā Vērtība (NPV) ir EUR 37,8 miljoni (no 2030. līdz 2050. gadam) iekšējā atmaksāšanās likme (IRR) ir 11%, savukārt izmaksu un ieguvumu attiecība (CBR) ir 1,3.

BESS ieviešana ar sintētiskās inerces reakciju ir nozīmīgs tehnisko problēmu risinājums ceļā uz Baltijas valstu ambiciozo nacionālo stratēģiju atjaunojamās enerģijas ražošanas paplašināšanā. Šajā izpētē piedāvātais risinājums uz fosilo kurināmo balstītas elektroenerģijas ražošanu aizstājot ar modernu BESS, palīdzētu samazināt oglekļa dioksīda emisijas un sniegtu atbalstu virzībai uz zemu oglekļa emisiju sabiedrību. Sociālekonomiskā analīze uzrāda pozitīvus rezultātus ietekmes uz vidi dēļ, un kopējie ieguvumi atsver investīciju un ekspluatāciju izmaksas.