211service.com
Gör elnäten mer effektiva
Elektrisk transmission och distribution har länge varit en tuff nöt för teknisk innovation. Men avreglerade kraftmarknader hjälper teknikutvecklare att kringgå notoriskt tighta, konservativa verktyg.
Beacon Powers svänghjul kan absorbera och släppa ström på mindre än fyra sekunder, vilket balanserar utbud och efterfrågan på elnätet snabbare, renare och billigare än konventionella kraftverk. (Kredit: Beacon Power Corp.)
TransÉnergie ledde vägen och använde likströmsteknik för att bygga sina egna elledningar för köpmän som bär ström för högstbjudande, snarare än att bara betjäna de lokala kraftverken (se TransÉnergie: Playing Two Power Games ).
Nu energilagringsutvecklare Beacon Power Corp. i Wilmington, MA, föreslår en liknande slutkörning kring långsamma verktyg. Istället för att marknadsföra sina svänghjulsbaserade energilagringssystem till allmännyttiga företag, planerar företaget att bygga sina egna svänghjulsanläggningar som flyttar ström till och från en kraftledning för att stabilisera nätet.
Det är en idé som väcker uppmärksamhet från de oberoende systemoperatörerna (ISOs), de regionala organisationer som ansvarar för driften av landets elnät. Kaliforniens och New Yorks ISO:er testar redan Beacon Powers utrustning. Och Matt Lazarewicz, företagets tekniska chef, säger att en lika viktig valkrets att imponera på är Wall Street. Enligt honom är köpmansmodellen den enda modellen Wall Street kommer att finansiera. Avkastningen är högre på det sättet, säger Lazarewicz. Så fort du säger att ett företag ska köpa något eller göra något, himlar investerare med ögonen och går därifrån.
Beacon Powers energilagringssystem för svänghjul är designade för att tillhandahålla frekvensreglering – en tjänst som ISO betalade mer än 600 miljoner dollar för förra året. Nätoperatörer behöver hjälp med frekvensreglering eftersom frekvensen av ett näts växelström ständigt fluktuerar när elektriska enheter och generatorer slås på och av, vilket orsakar tillfälliga obalanser i kraftproduktion och efterfrågan. Otillfredsställt efterfrågan sätter en belastning på ett näts kraftverk, saktar ner dem och drar nätfrekvensen under dess börvärde (60 Hz i Nordamerika, 50 Hz i Europa och större delen av Asien). Överutbud har motsatt effekt. Och båda tillstånden kan göra att elledningar och kraftverk automatiskt kopplas bort från nätet, vilket förhindrar skador på el- och kundutrustning, men ökar också risken för strömavbrott.
ISO:er förlitar sig för närvarande på kraftverk med fossila bränslen – främst gasturbiner – för att jämna ut ett näts frekvensvariationer. Försörjningsföretag ansöker om att tillhandahålla den här tjänsten och placerar därvid en viss andel av sina kraftverks kapacitet (ungefär 1-2 procent av ett näts totala elproduktion) under ISOs direkta kontroll. På signaler från ISO ramper utsedda anläggningar upp och ner för att ungefär balansera utbud och efterfrågan. Det är en kostsam och förorenande process eftersom kraftverk förbränner sitt bränsle mest effektivt när de körs stadigt och med full kapacitet. Att göra reglering med fossilbränslegenerering är svansen som viftar på hunden, säger Imre Gyuk, som driver det amerikanska energidepartementets forskningsprogram för energilagring.
Gaseldad frekvensreglering blir också allt dyrare, på grund av de ökande kostnaderna för naturgas. Dan Mears, ordförande för det San Diego-baserade energikonsultföretaget Technology Insights, säger att högkostnadsgas träffar ISO två gånger. Utöver att öka kostnaderna för gaseldad frekvensreglering påskyndar höga gaspriser installationen av vindkraftverk, vars byiga, hackiga effekt kan öka behovet av frekvensreglering. Det är ett problem att livnära sig på sig själv, säger Mears.
Beacon Powers svänghjulslagringssystem är programmerade att nollställa frekvensfluktuationer genom att återvinna energi: en elmotor använder överskottskraft från nätet för att accelerera magnetiskt svängda kol- och glasfibersvänghjul till så högt som 22 500 rpm, för att sedan ladda ur den lagrade kinetiska energin genom att regenerera elektriciteten när rutnäts frekvensfall. Till skillnad från batterier – den ledande konkurrenten inom energilagring – tål Beacons svänghjul kontinuerlig djupcykling utan att förlora kapacitet.
Det senaste testet av dess teknologi, ett fyra månader långt försök som påbörjades förra veckan vid Pacific Gas and Electrics forskningscenter i San Ramon, använder sju 6-kilowatt-timmars svänghjul, vart och ett lika stort som ett litet kylskåp, sammanfogade för att bilda ett system som kan absorbera eller ladda ur 100 kilowatt kraft i 15 minuter. För kommersiella system bygger Beacon Power svänghjul på 25 kilowatt i storleken på höga kylskåp, som skulle kombineras i kluster för att leverera 1 till 20 megawatt.
Svänghjulens snabba reaktion borde också få varje megawatt att gå längre än motsvarande effekt från ett gaseldat kraftverk, säger tjänstemän på Kaliforniens energikommission i Sacramento, som samfinansierar demonstrationen i Kalifornien med det amerikanska energidepartementet (DOE). Mike Gravely, California Energy Commissions projektledare som sköter San Ramon-testerna, säger att gaseldade generatorer kan ta fem minuter eller mer att svara på Kaliforniens ISO:s frekvenskontrollsignaler (utsänds var fjärde sekund). Då har systemet ofta gått tillbaka mot jämvikt på egen hand. Däremot kan Beacons svänghjul växla från full effektabsorbering till full effekturladdning snabbare än vad Cal-ISO kan skicka sina kommandon. Det finns en möjlighet att om du kan svara på behoven snabbare, kanske du inte behöver lika mycket energi – du kan göra mer med mindre, säger Gravely.
Gyuk vid DOE förutspår att bara 100 megawatt svänghjulsreserv – hälften av vad Kalifornien köper från konventionella generatorer idag – skulle kunna hantera 90 procent av statens frekvensproblem. Och om kostnaderna kommer in som Beacon Power förutspår, kan de resulterande besparingarna bli betydande. Lazarewicz säger att en anläggning på en megawatt kommer att kosta cirka 1,5 miljoner USD att bygga och kan förvänta sig att tjäna cirka 400 000 USD per år från ISO:erna för sina tjänster. Som ett resultat säger Lazarewicz att anläggningen borde betala för sig själv på fyra år, även efter att ha täckt kostnaden för strömförlusten vid driften av systemen (cirka 15 procent av den totala energi som hanteras).
Mears säger att svänghjulets snabba svar också kan ha en välkommen sidofördel: att förbättra nätets tillförlitlighet. Svänghjulsanläggningar skulle kunna frigöra gaseldade anläggningar för att ge extra toppeffekt på svällande sommardagar när luftkonditioneringsanläggningarna är på fulla och mellanstatliga kraftledningar är fulla. Dessutom kan svänghjulets snabba respons hålla ett hårdare grepp om nätets frekvens, släcka kraftavvikelser som börjar små men, när systemet är överbelastat, kan initiera ett kaskadfel. Att hålla nätet stabilt är hela idén bakom frekvensreglering, instämmer Lazarewicz. Detta är helt enkelt ett sätt att göra det bättre och billigare.