211service.com
Elektrische netwerken efficiënter maken
Elektrische transmissie en distributie zijn lange tijd een harde noot geweest voor technologische innovatie. Maar gedereguleerde energiemarkten helpen technologieontwikkelaars notoir strakke, conservatieve nutsbedrijven te omzeilen.
De vliegwielen van Beacon Power kunnen in minder dan vier seconden stroom opnemen en weer afgeven, waardoor vraag en aanbod op het elektriciteitsnet sneller, schoner en goedkoper in evenwicht zijn dan conventionele energiecentrales. (Tegoed: Beacon Power Corp.)
TransÉnergie liep voorop en gebruikte gelijkstroomtechnologie om zijn eigen koopvaardijlijnen te bouwen die stroom leveren voor de hoogste bieder, in plaats van alleen de lokale nutsbedrijven te bedienen (zie TransÉnergie: Playing Two Power Games).
Nu ontwikkelaar van energieopslag Beacon Power Corp. van Wilmington, MA, stelt een soortgelijke eindrun voor rond langzaam bewegende nutsbedrijven. In plaats van zijn op vliegwiel gebaseerde energieopslagsystemen aan nutsbedrijven te verkopen, is het bedrijf van plan zijn eigen vliegwielfabrieken te bouwen die stroom van en naar een hoogspanningslijn verplaatsen om het net te stabiliseren.
Het is een idee dat de aandacht trekt van de onafhankelijke systeembeheerders (ISO's), de regionale organisaties die belast zijn met het beheer van de nationale elektriciteitsnetten. De ISO's van Californië en New York testen de apparatuur van Beacon Power al. En Matt Lazarewicz, de technisch directeur van het bedrijf, zegt dat Wall Street een even belangrijk kiesdistrict is om indruk te maken. Volgens hem is het handelsmodel het enige model dat Wall Street zal financieren. Het rendement is dan hoger, zegt Lazarewicz. Zodra je zegt dat een nutsbedrijf iets gaat kopen of iets gaat doen, rollen beleggers met hun ogen en lopen weg.
De vliegwiel-energieopslagsystemen van Beacon Power zijn ontworpen om frequentieregeling te bieden - een service waarvoor ISO's vorig jaar meer dan $ 600 miljoen betaalden. Netbeheerders hebben hulp nodig bij frequentieregeling omdat de frequentie van de wisselstroom van een net constant fluctueert als elektrische apparaten en generatoren in- en uitschakelen, waardoor tijdelijke onevenwichtigheden in de elektriciteitsproductie en de vraag ontstaan. Onvervulde vraag legt een druk op de elektriciteitscentrales van een netwerk, vertraagt ze en sleept de netfrequentie onder het instelpunt (60 Hz in Noord-Amerika, 50 Hz in Europa en het grootste deel van Azië). Overaanbod heeft het tegenovergestelde effect. En beide omstandigheden kunnen ertoe leiden dat nutsleidingen en elektriciteitscentrales automatisch worden losgekoppeld van het net, waardoor schade aan nutsvoorzieningen en apparatuur van klanten wordt voorkomen, maar ook het risico op stroomuitval wordt vergroot.
ISO's zijn momenteel afhankelijk van elektriciteitscentrales op fossiele brandstoffen - voornamelijk gasturbines - om de frequentievariaties van een netwerk af te vlakken. Nutsbedrijven bieden aan om deze service te verlenen, waarbij ze een bepaald deel van de capaciteit van hun elektriciteitscentrales (ongeveer 1-2 procent van de totale elektriciteitsopwekking van een net) onder de directe controle van de ISO's plaatsen. Op signalen van ISO's gaan de aangewezen fabrieken op en neer om vraag en aanbod ruwweg in evenwicht te brengen. Het is een kostbaar en vervuilend proces omdat energiecentrales hun brandstof het meest efficiënt verbranden wanneer ze constant en op volle capaciteit draaien. Regelgeving doen met het opwekken van fossiele brandstoffen is de staart die met de hond kwispelt, zegt Imre Gyuk, die het onderzoeksprogramma voor energieopslag van het Amerikaanse ministerie van Energie leidt.
Ook de gasgestookte frequentieregeling wordt steeds duurder door de stijgende kosten van aardgas. Dan Mears, president van het in San Diego gevestigde energieadviesbureau Technology Insights, zegt dat duur gas de ISO's twee keer raakt. Naast het opdrijven van de kosten van gasgestookte frequentieregeling, versnellen hoge gasprijzen de installatie van windturbines, waarvan het winderige, schokkerige vermogen de behoefte aan frequentieregeling kan vergroten. Het is een probleem om zichzelf te voeden, zegt Mears.
De vliegwielopslagsystemen van Beacon Power zijn geprogrammeerd om frequentieschommelingen te elimineren door energie te recyclen: een elektromotor gebruikt overtollige netstroom om magnetisch zwevende koolstof- en glasvezelvliegwielen te versnellen tot 22.500 tpm, en ontlaadt vervolgens die opgeslagen kinetische energie door de elektriciteit te regenereren wanneer de netfrequentiedips. In tegenstelling tot batterijen - de grootste concurrent op het gebied van energieopslag - zijn de vliegwielen van Beacon bestand tegen continu diep fietsen zonder capaciteit te verliezen.
De meest recente test van zijn technologie, een proef van vier maanden die vorige week is begonnen in het onderzoekscentrum van Pacific Gas and Electric in San Ramon, maakt gebruik van zeven vliegwielen van 6 kilowattuur, elk zo groot als een kleine koelkast, samengevoegd tot een systeem dat kan gedurende 15 minuten 100 kilowatt stroom opnemen of ontladen. Voor commerciële systemen bouwt Beacon Power vliegwielen van 25 kilowatt ter grootte van hoge koelkasten, die in clusters worden gecombineerd om 1 tot 20 megawatt te leveren.
De snelle reactie van de vliegwielen moet er ook voor zorgen dat elke megawatt verder gaat dan het equivalente vermogen van een gasgestookte elektriciteitscentrale, zeggen functionarissen van de California Energy Commission in Sacramento, dat samen met het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) de demonstratie in Californië financiert. Mike Gravely, de projectmanager van de California Energy Commission die de San Ramon-tests verzorgt, zegt dat gasgestookte generatoren vijf minuten of langer nodig hebben om te reageren op de frequentiecontrolesignalen van California ISO (die elke vier seconden worden afgegeven). Tegen die tijd is het systeem vaak vanzelf weer terug in de richting van evenwicht. De vliegwielen van Beacon daarentegen zijn in staat om sneller over te schakelen van volledig vermogen naar volledig vermogen ontladen dan Cal-ISO zijn commando's kan verzenden. Er is een mogelijkheid dat als je sneller op de behoeften kunt reageren, je misschien niet zoveel energie nodig hebt - je kunt meer doen met minder, zegt Gravely.
Gyuk van de DOE voorspelt dat slechts 100 megawatt vliegwielreserve - de helft van wat Californië tegenwoordig van conventionele generatoren koopt - 90 procent van de frequentieproblemen van de staat aankan. En als de kosten binnenkomen zoals Beacon Power voorspelt, kunnen de resulterende besparingen aanzienlijk zijn. Lazarewicz zegt dat een fabriek van één megawatt ongeveer $ 1,5 miljoen zal kosten om te bouwen en ongeveer $ 400.000 per jaar van de ISO's kan verdienen voor zijn diensten. Als gevolg hiervan zegt Lazarewicz dat de centrale zichzelf in vier jaar moet terugverdienen, zelfs na dekking van de kosten van de stroom die verloren gaat bij het runnen van de systemen (ongeveer 15 procent van de totale verwerkte energie).
Mears zegt dat de snelle reactie van het vliegwiel ook een welkom nevenvoordeel kan hebben: het verbeteren van de betrouwbaarheid van het netwerk. Vliegwielfabrieken zouden gasgestookte centrales kunnen vrijmaken om extra piekvermogen te leveren op zinderende zomerdagen wanneer airconditioners op volle toeren draaien en interstate elektriciteitsleidingen vol zijn. Bovendien kan de snelle respons van het vliegwiel de frequentie van het net strakker vasthouden, waardoor vermogensafwijkingen die klein beginnen, maar, wanneer het systeem overbelast wordt, een trapsgewijze storing kunnen veroorzaken, worden onderdrukt. Het stabiel houden van het net is het hele idee achter frequentieregeling, beaamt Lazarewicz. Dit is gewoon een manier waarop we dat beter en goedkoper kunnen doen.