– Impact od lat dostarcza swoje rozwiązania bateryjne do pojazdów trakcyjnych takich jak trolejbusy i tramwaje. Na bazie tych doświadczeń powstają w ICPT S.A. baterie opracowane i skonfigurowane dla potrzeb między innymi ograniczenia mocy przyłączeniowej stacji trakcyjnych realizując funkcję peak shaving. – mówi Ireneusz Konarski, Menadżer ds. Rozwoju Stacjonarnych Magazynów Energii’’ w Impakcie.
Stacjonarne bateryjne magazyny energii stają się coraz częściej nierozłącznym elementem nowoczesnej infrastruktury energetycznej sieci trakcyjnej. W projekcie dla PKP Energetyka w Garbcach zastosowano modułową budowę systemu bateryjnego – każdy moduł o mocy 920 kW z możliwością przeciążenia krótkotrwałego o 30%. Cztery kontenery bateryjne mają 1,88 MWh pojemności całkowitej i 1,5 MWh pojemności użytkowej. W każdym znajduje się 1060 połączonych szeregowo ogniw w układzie 2P1060S. W całym magazynie system BMS monitoruje parametry 4240 ogniw. Całością zarządza system SCADA.
Magazyn energii w Garbcach to inwestycja PKP Energetyka, która aktywnie rozbudowuje infrastrukturę dystrybucyjną wspierając rozwój niskoemisyjnych technologii i przyczyniających się do transformacji branży w kierunku Zielonej Kolei. – Zgodnie z naszą misją „Wspierania rozwoju polskiej kolei”, realizujemy innowacyjne projekty, które podnoszą konkurencyjność tego środka transportu. Technologia magazynowania energii przynosi podwójne korzyści: stabilizuje system energetyczny (poprzez wzrost wolumenu dystrybuowanej energii bez konieczności zwiększania mocy przyłączeniowych) oraz pozwala na transformację kolei w kierunku zasilania z OZE. W ramach programu Zielona Kolej musimy zadbać o stabilność dostaw energii także kiedy jest pochmurno czy bezwietrznie. Dlatego inwestujmy w nowoczesne zasobniki energii, które uzupełniają nasz Inteligentny, Zintegrowany System Zarządzania Dystrybucją Energii dla Kolei – mówi Leszek Hołda, Członek Zarządu PKP Energetyka.
Odpowiednio zaprojektowany system może poprawiać i stabilizować parametry sieci trakcyjnej realizując np. funkcje zwiększenia dostępnej mocy na danym odcinku trakcji. Magazyn może też pełnić rolę dodatkowego źródła zasilania i realizować także funkcje zasilania awaryjnego np. do zasilania potrzeb własnych stacji lub punktów ładowania pojazdów elektrycznych. Z punktu widzenia optymalizacji kosztów energii i jej maksymalnego wykorzystania funkcje takie jak pick shaving tj. ograniczenie mocy szczytowej w połączeniu z wykorzystaniem energii z rekuperacji (ładowanie magazynu energią wytwarzaną podczas hamowania pociągu) powodują znaczne skrócenie czasu zwrotu z inwestycji w magazyn energii. Zastosowanie technologii Li-ion do magazynowania energii w celu dynamicznego redukowania mocy szczytowej pozwala na ograniczenie mocy zamówionej nawet o 60%. Korzyści z zastosowania bateryjnych magazynów energii dla trakcji stacjonarnej dotyczą nie tylko ograniczenia kosztów energii elektrycznej, ale także pozwalają skrócić czas i koszty realizacji budowy infrastruktury sieci trakcyjnej (np. poprzez brak konieczności doprowadzenia linii wysokiego napięcia).
Mówiąc o magazynie energii do zastosowań w sieci trakcyjnej mamy na myśli system współpracujących ze sobą elementów składający się między innymi z baterii litowo-jonowej, przekształtników energii DC/DC, systemów BMS,EMS i SCADA. Uproszczony schemat blokowy systemu obrazuje rysunek nr. 1.
Bateria jest sercem tego systemu. Jej dobór i konfiguracja zapewnia odpowiednią dynamikę pracy magazynu i realizację takich funkcji jak wspomniany już pick shaving (redukcja mocy chwilowej). Do tego celu potrzebna jest dogłębna analiza profilu obciążenia baterii, parametrów chłodzenia, charakterystyk pracy i specyfikacji technicznej wybranych do aplikacji ogniw np. w technologii NMC lub LTO. Jest to konieczne, żeby ostatecznie bateria mogła bezpiecznie pracować w najbardziej krytycznych stanach pracy dla danej aplikacji. Przykładowe wymagania profilu obciążenia magazynu przedstawiono na rysunku nr 2. Bateria magazynu musi być tak zaprojektowana, by spełniać nie tylko kryteria dostarczanej mocy, ale również dynamiki jej zmian w czasie oraz kierunku przepływu. Wszystkie te stany i ich cykle mają kluczowe znaczenie ze względu na żywotność magazynu.
Firma Impact Clean Power Technology S.A. od ponad 15 lat projektując swoje baterie współpracuje z wyselekcjonowanymi producentami ogniw i wspólnie z nimi analizuje możliwości danej technologii Li-ion w kontekście wymagań stawianych przez aplikacje naszych klientów. Jest to współpraca dwukierunkowa i nasi inżynierowie wymieniają się wzajemnie wiedzą i doświadczeniem w zakresie optymalnego doboru danej technologii ogniw do potrzeb instalacji. Bateria w omawianym kontekście to połączone ze sobą szeregowo moduły bateryjne tworzące pojedynczy string bateryjny, które to ostatecznie łączone są równolegle tworząc konfigurację o wymaganych parametrach mocowo-pojemnościowych. Nad optymalną i bezpieczną pracą baterii czuwa system BMS, który monitoruje baterię na kilku poziomach tj. ogniw, modułów i stringów oraz odpowiada za współpracę całej baterii z przekształtnikami energoelektronicznymi oraz nadrzędnymi systemami EMS i SCADA.
Wymagania stawiane magazynom energii do współpracy z siecią trakcyjną to oczywiście nie tylko kwestie parametrów technicznych systemu bateryjnego. Są to także wymagania odnośnie parametrów przekształtnika DC/DC, elementów przyłączeniowych magazynu do sieci trakcyjnej DC 3KV, dopuszczalnych zakłóceń, protokołów komunikacji i elementów teletechnicznych czy też zabudowy kontenerowej. Szczególnie istotna jest komunikacja i telemetria. Magazyn musi spełniać szereg wymogów z tym związanych, by oprócz sterowników pozwalających na autonomiczną pracę i realizację zakładanych algorytmów wewnętrznych niezbędnych do bezpiecznego i optymalnego działania (np. w zakresie aktywacji zabezpieczeń i realizacji ograniczeń, wysterowanie łączników przekształtnika etc.). mógł także komunikować się i być zarządzany np. z poziomu systemu SCADA operatora. W ramach tych wymagań magazyn musi udostępniać możliwości zdalnego monitorowania podstawowych parametrów i stanów pracy takich jak np. stan naładowania magazynu (poziom SOC), ilość wykonanych cykli pracy, stan łączników, stanów ostrzegawczych i awaryjnych, itd. Od systemu wymaga się również możliwości jego zdalnego załączania i wyłączania oraz zadawania parametrów pracy.
Zastosowanie magazynów energii w sieci trakcyjnej niesie ze sobą wiele korzyści. Oprócz wspomnianej funkcji chwilowego ograniczenia mocy szczytowej co pozwala na znaczną optymalizacje kosztów związanych z opłatami za moc przyłączeniową, bateryjne magazyny energii poprawiają stabilizację sieci trakcyjnej, mogą stanowić awaryjne źródło zasilania lub pełnić funkcję lokalnego źródła uzupełniającego/zwiększającego moc podstacji. Dojrzałość technologii litowo-jonowej pozwala już dziś stwierdzić, że jest to bardzo perspektywiczny kierunek rozwoju w obszarze infrastruktury sieci trakcyjnej.
Tekst: Ireneusz Konarski
