Energilagring i samspill med vannkraftverk til frekvensregulering

Abstract

Når en økt mengde fornybare energikilder, som sol og vind, leverer effekt inn på kraftnettet, er det økt fare for større frekvensavvik. Dette kommer av at energikildene ikke har noe treghetsmoment, som reduserer raten for frekvensendring. For å minimere frekvensavvikene må frekvensreserver regulere effekten ut på kraftnettet, avhengig av målt frekvens. Med flere fornybare energikilder uten treghetsmoment, har systemansvarlige i Norden satt større krav til kraftverkene som skal levere effekt til frekvensreservene. De nye kravene inkluderer prekvalifisering av nye kraftverk som vil levere til primærreservemarkedet fra og med 2024, med en overgang innen 2028 for reserver som allerede leverer tjenesten. De nye kravene gjør at elvekraftverk med kaplanturbin ikke kommer til å oppfylle kravene for stabilitet og rask leveranse av effekt. Dette vil føre til tapte inntekter for kraftselskapene.

For å kvalifisere kraftverkene til reservetjenesten er en løsning å bruke et energilagringssystem i samspill med kraftverket. Her vil energilagringsenheten (batteri eller superkondensator) kunne levere effekten ut på kraftnettet nesten umiddelbart ved et frekvensavvik. I tillegg vil dette redusere slitasje på kraftverket.

Det har blitt undersøkt hvilke typer energilagringsenheter som kan egne seg best til formålet frekvensregulering. Ulike batterityper og superkondensatorer ble undersøkt. Energilagringsenheten må være egnet til rask opp- og utladning, holde på en stor nok mengde energi, holde kostnadene nede og samtidig være sikker og ha liten miljøpåvirkning. Hovedfunnene i oppgaven er at superkondensatorer, spesielt typen elektrokjemisk dobbeltlagskondensator, egner seg godt for frekvensregulering i samspill med kraftverk. Dette er grunnet enhetens høye sykluslevetid, brede temperaturområde for drift og evne til å levere høy effekt over korte perioder. Elektrokjemisk dobbeltlagskondensatorer har i tillegg ikke nevneverdig lavere spesifikk energi enn andre superkondensatortyper. For å vite nøyaktig hva som er mest kostnadseffektivt må nødvendig kapasitet for effekt og energi bestemmes individuelt for kraftverket. Litium-ion-batterityper kan vurderes dersom en systemanalyse viser at bruk av Litium-ion-batterier gjøres mer kostnadseffektivt, dersom systemet trenger mer spesifikk energi. Elektrokjemisk dobbeltlagskondensator har en overlegen teknisk profil, er sikrere enn batterier og benytter ikke sjeldne materialer.

With an increasing number of renewable energy sources, like solar and wind power, frequency deviations occurs more frequently as these power sources lack inertia. System operators in the Nordic countries have imposed stricter requirements on power plants providing or planning on providing power to frequency containment reserves (FCR). To minimize frequency deviations, frequency reserves must regulate the power output to the electricity grid based on the measured frequency. These new requirements include the prequalification of new power plants for the primary reserve market starting in 2024, with a transition period until 2028 for reserves already providing the service. The new requirements mean that run of the river hydro power plants with Kaplan turbines will not meet the required standards for stability and preformance, resulting in lost revenue for power companies.

To qualify these power plants for FCR services, one solution is to use an energy storage system in conjunction with the power plant. In the event of a frequency deviation, the energy storage unit (battery or supercapacitor) can deliver power to the grid almost immediately. Additionally, this will reduce wear and tear on the hydro power turbine.

The thesis investigated which types of energy storage units are best suited for frequency regulation purposes. Various types of batteries and supercapacitors were examined. The energy storage unit must be capable of rapid charge and discharge, maintain a sufficient amount of energy, be cost-effective, and at the same time be safe and have minimal environmental impact. The main findings of the study indicate that supercapacitors, specifically electrochemical double-layer capacitors, are well-suited for frequency regulation in conjunction with hydro power plants. This is due to their high cycle life, wide operating temperature range, and ability to deliver high power in short periods. Furthermore, electrochemical double-layer capacitors do not have a significantly lower specific energy compared to other supercapacitor types. To determine the most cost-effective solution, the necessary capacity for power and energy must be determined individually for each power plant. Lithium-ion batteries can be considered if a system analysis shows that their use is more cost-effective, especially if the system requires more specific energy. Electrochemical double-layer capacitors, however, have a superior technical profile, are safer than batteries, and do not use rare materials.