Elektriksel Enerji Depolama (EED) Sistemlerinin Özellikleri


Enerji Depolama Sistemleri Çalışma Grubu
 

“ETP Enerji Depolama Sistemleri Çalışma Grubu” olarak sektörümüzün yararlanması amacıyla teknik bilgilendirme çalışmalarımıza devam ediyoruz. 

“Elektriksel Enerji Depolama (EED) Sistemlerinin Özellikleri” yazısını hazırlayarak bu konuda önder olan çalışma gruplarımız önderlerinden, çalışma grubumuz  üyesi Sn. Hasan Basri Çetinkaya’ya ve bu çalışmaya görüş veren çalışma grubumuzdan Sn. Sabri Günaydın'a  içtenlikle teşekkür ederiz.


 

►EED sistemleri seçimi ve boyutlandırma uygulamaya bağlı olarak değişir. İşletme modları bilinmelidir.

Örneğin güneş enerjisine ait üretimin zaman ötelemesi bazen enerji kesintisi durumunda güç sağlamadan çok daha az önemli olabilir. Benzer şekilde bir frekans desteği ile birlikte tepe yük yönetimi için kullanılan EEDS boyutunun, sadece frekans desteği için kullanılandan çok daha büyük olması gerekebilir. Burada bilinen bazı işletme modları için örnek verilmiştir. Bir EEDS sistemi bir yapıya entegre edildiğinde tüm işletim modlarına uyumu sorgulanmalıdır

♦Modelleme nasıl bir sistemde EED siteminin kullanılacağına göre şekillenir. Büyük yapılarda detaylı modelleme ve çok küçük aralıklarda (örneğin 5dk) SOC (şarj durumu) ve yük verisinin günlük ve/veya yıllık bazda analizine ihtiyaç duyulur. 

Yenilenebilir enerji sistemlerinin kullanımında, yenilenebilir enerji yapısının günlük, aylık veya yıllık üretim profilleri önemli olacaktır. Yük profili önemli olacaktır. 

Ada çalışma sistemlerinde günlük yük profili, tepe yük ihtiyacı ve yük karakteristiği (motor yükleri gibi) önemli olacaktır. Örneğin motor yükleri kalkışları esnasında önemli reaktif güç ihtiyacı oluşur ve MVA bazında normal çalışma güçlerinin kat kat üstünde bir ihtiyaç oluştururlar. Aynı durum arıza sonrası toparlanma süreci için de geçerlidir. Reaktif gücün belirlenmesi için sistemin güç faktörü değeri de önemlidir. 

Tüm bunların belirlenmesi için sistem modellemesine destek olacak güç sistem analizlerinin önemi büyüktür. Kullanılacak güç sistem analizi programının tipi, EEDS sisteminin kullanılması planlanan amacına göre belirlenmelidir. 

♦ Doğru boyutlandırmada yük profilinin önemi çok büyüktür. Bazı aplikasyonlarda ilgili jenerik yük profilleri mevcuttur. Jenerik profilleri kullanılırken kullanıcı, ilgili yük profilinin kendi bölgesine uygun olduğundan emin olmalıdır. Bununla birlikte, daha doğru bir boyutlandırma için EED sistemi kurulacak yerleşimden ölçüm alınması en doğru yol olacaktır. Veri alınırken, veri toplama periyodunun yeteri kadar uzun olduğundan ve yeterli çözünürlükte veri alındığından emin olunmalıdır. Çözünürlük tamamen yükün değişkenlik miktarına göre belirlenebilir, 15 dakika aralıklarla da olabilir, 5 dakika aralıkta ölçüm alınması da gerekebilir.

►Yenilenebilir enerjinin zaman ötelemesi için EEDS sistemi boyutlandırma

Bir elektrik enerjisi zaman kayması uygulamasında çalışan EED sistemleri, ucuz elektrik enerjisiyle şarj edilir ve elektrik fiyatları yüksek olduğunda deşarj edilir. Daha kısa bir zaman ölçeğinde EED sistemleri, örneğin değişken enerji üretimine sahip yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen fazla enerji üretimini depolayarak benzer bir zaman kaydırma görevi sağlayabilir.

Bir EED sistemi,  merkezi istasyon üretim kapasitesi satın alma ve/veya toptan elektrik piyasasında kapasite satın alma ihtiyacını ertelemek veya azaltmak için kullanılabilir. EED sistemi talep yüksek olduğunda pik kapasitenin bir kısmını sağlar, böylece gerekli kapasite pik değerini sınırlandırarak üreteci rahatlatır.

♦ EED sistemi talep yüksek olduğunda pik kapasitenin bir kısmını sağlar, böylece gerekli kapasite pik değerini sınırlandırarak üreteci rahatlatır. Enerji kapasitesi bir EED sisteminin kullanılabilir enerji içeriğini temsil eder ve büyük ölçüde şarj/deşarj gücüne, çevre sıcaklığına ve SOH'a ( bataryanın sağlık durumu)  bağlı olabilir. Bu değer, farklı koşullar altında üreticinin teknik özelliklerinden önemli ölçüde farklılık gösterebilir ve sistemin kullanım ömrü boyunca azalması muhtemeldir.

Genelde kapasite (kWh/MWh) seçimi, tanımlanan simulasyonda farklı seçeneklerin değerlendirildiği iteratif bir proses sonucu belirlenir.

Modelleme yazılımı kullanılsa bile aslında optimum sistem tasarımını bulmak için tasarımcının farklı opsiyonları deneyerek iteratif bir proses oluşturması kaçınılmazdır. Bazı opsiyonlar çalışma dışı bırakılabilirse bu iteratif süreç kısaltılabilir.

♦EED sistemlerinin anlık olarak şarj/deşarj (kW) olabilecek belli bir güç limiti bulunur. Bu limit kullanılan EED teknolojisine, batarya boyutuna ve teknolojisine, diğer kullanılan donanım bileşenlerin (inverter gibi ) niteliklerine göre değişkenlik gösterir.

Boyut olarak büyük EED sistemlerinin kullanımı tüm karakteristik özellikleri için faydalı olmayabilir. Diğer bir deyiş ile ne kadar büyük o kadar iyi gibi bir yargı doğru değildir. Örneğin yenilenebilir enerji üretimi ile entegre bir yük paternine bağlı olarak bir çok sistem düşük şarj ve deşarj yapısında çalıştırılabilir. 

Dolayısıyla EED sisteminin ve ilgili inverterlerin gerekli uygulamaya  uygun olarak seçilmesi hem maliyet hem de verimlilik açısından son derece önemlidir.

EED sistem verimliliği, tüm sistem bileşenlerinin verimliliklerinin bir kombinasyonudur ve genellikle çalışma noktasına, kullanılan şarj/deşarj döngüsüne ve çalışma koşullarına bağlıdır. Bu nedenle, EED sistem verimliliği bir verimlilik haritası şeklinde verilmelidir, yani sadece tek bir rakam olarak değil. Bu harita (iki boyutlu bir grafik veya tablo halinde), şarj/deşarj gücü (grafiğin y ekseninde) ve ilk SOE (Bataryanın enerji durumu) veya ilk SOC(Bataryanın sarj durumu)  (x ekseninde) ile tanımlanan EED sistemi uygulaması için ilgili tüm aralığı kapsayan bir dizi sistem durumu için verimliliği verir.

♦Yenilebilir enerjiden üretilen gücün zaman ötelemesinde aşağıdaki faktörler önem kazanmaktadır.

EEDS sistemi kapasitesi arttığında, yenilenebilir enerji girişinin bataryayı tam dolduramadığı durumlar oluşabilir. Yenilenebilir enerji çıkışı yıl boyunca büyük değişimler gösterse de, günlük maksimum çıkış değeri, bataryanın boyutu açısından yön gösterici olabilir. Ada modu olmayan sistemlerde DC batarya back-up ve UPS fonksiyonu 1-2 günlük tasarlanabilir. Ancak ada modu olan sistemlerde bu sürenin 5-7 gün e çıkması gerekebilir. EEDS kapasitesi seçilirken, tüm fazlalık enerji üretiminin batarya tarafından karşılanabileceği bir boyut seçilebilir. Seçilmediği durumda, diğer bir deyiş ile batarya kapasitesinin düşük olduğu durumda, batarya dolduktan sonra fazlalık enerji depolanamaz ve şebekeye aktarılmak durumunda kalır.

Yükün güç kullanım durumu çok çeşitli olabilir. Sabahtan gün batımına kadar çalışan yükler varsa, yenilenebilir enerji daha verimli kullanılabilir ve daha küçük ölçekte batarya boyutu kullanılabilir. Eğer sistemin uyuyacağı bir kış modu varsa modellemede öngörülmeyebilir. Ancak bilinmelidir ki herhangi bir şarj/deşarj olmadan geçen süre uzun ise, toplam ömür ve kapasite ciddi anlamda düşebilir. Bu kapasite, enerjisiz kalma durumunda ne kadar süre enerjiye ihtiyaç olacağı ile doğrudan ilgilidir ve sürekli enerji ihtiyaçlarında gerekli batarya kapasitesi ciddi anlamda artabilir. Bazı sistemlerde, EED sisteminin kaldırabileceği maksimum şarj/deşarj oranları önemli olabilir. Örneğin ada modu için kullanılan bir EEDsistemi anlık güç ihtiyaçlarını karşılayabilecek inverter güçlerine ihtiyaç duyabilir

♦Ada konumundaki sistemlerde ve yedek olarak kullanma durumları için EED sistemi boyutlandırmada  aşağıdaki konulara dikkat edilmelidir. 

EEDS sisteminin yedekleme kapasitesinin önemli bir tasarım kriteri de, yükün çok iyi analiz edilmesi gerekliliğidir. Bu analizde yüklerin çekeceği güçler ve ne kadar süre çekecekleri iyi bir şekilde değerlendirilmelidir. Sahadaki birçok uygulama için, tüm yüklerin EED sistemi üzerinden beslenmesi gerekmez. Kritik yükler seçilmeli ve ayrılmalıdır. Bu durum daha küçük ölçekte EED sisteminin tanımlanmasına yardımcı olur. 

Boyutlandırmada kayıplar için de %10 ekstra güç düşünülmelidir. Toplam enerji ve toplam güç netleştirilmelidir. Toplam enerji, enerji depolama kapasitesi ile, toplam güç ise inverter boyutlandırılmasında önemlidir. Yükler için de uygun bir diversite faktörü düşünülebilir. 

Motorların olduğu sahalarda, kalkış akımlarına bağlı olarak inverter boyutlarının yükseltilmesi gerekecektir. Motorlar ve elektronik güç kaynaklarının olduğu sahalarda detaylı inceleme yapılmalıdır. Ayrıca şebekeden EED sistemine geçiş sürecinde yükün süreklilik gerekliliği de değerlendirilmelidir. Bu geçişler sırasında inrush akımlarını/gerilimlerini engellemek için farklı yöntemler kullanılabilir. Bunlar aşağıdaki şekilde tanımlanabilir. 

(a)    Sıfır gerilim / sıfır akım anahtarlaması

(b)    Motor yükleri için sürücülü yol verme 

(c)    Yüklerin farklı zaman kademelerine bölünebildiği yerlerde gecikmeli devreye almalar 

EED sistemlerinde yer alan inverterleri ada konumunda aşırı yüklememek için, yük bağlanacak noktalarda maksimum çekilebilecek güç bilgisinin verilmesi oldukça önemlidir. Ayrıca elektriksel koruma yapısının da (örneğin Minyatür Devre Kesiciler) doğru  tasarlanması bu yüklenmenin engellenmesi için oldukça önemlidir. Ada çalışma moduna ait bir işletme prosedürü olmalı ve ilgili yapıda çalışacak herkes bilgilendirilmelidir. Ayrıca inverter yükünün sürekli izlenmesi ve aşırı yüklenme durumunda sesli ve görüntülü uyarı olması da ada çalışmanın sürekliliği açısından   oldukça önemlidir.

♦ Alternatif akım   ile birleştirilmiş sistem tasarımında  dikkate alınması gereken konular aşağıdadır.

 Alternatif akım   ile birleştirilmiş sistemlerde tüm kısımların birbiri ile uyumu oldukça önemlidir. Özellikle ada modu çalışmada herhangi bir donanıma zarar gelmeyeceğinden emin olunmalıdır. Şebeke ile bağlantılı sistemlerde ada moduna geçişte şebekeden ayırma rölelerinin kullanıldığında, enerji kesintisi esnasında dâhili yenilenebilir enerji sisteminin üretim yapabilmesi için bir elektrik kaynağını görüyor olması önemlidir. Tüm yapının ada çalışma yapısının uygunluğunun sorgulanması gerekir. Ada konumunda yenilenebilir enerji üretime devam ettiği durumda, EED sisteminin maksimum doluluğa ulaştığı durumda, yenilenebilir enerji sisteminden güç indirgeme yapabilecek şekilde tasarlanması önemlidir.

Bazı sistemlerde, kurulacak EED sisteminin, sistemde bulunan yenilebilir enerji kapasitesinden büyük seçilmesi önemlidir. 

Ada modu çalışan sistemlerde üretimin tüketimden fazla oluşması durumu gerçekleşebilir. Adalaşma esnasında bu fazla güç kısa dönem yüksek gerilimlere ve yüksek frekanslara neden olabilir. Özellikle gerilim yükselmesi durumunda donanımda  yalıtım sorunları oluşabilir. Bu durumun, sistemi kuran tüm paydaşlarla netleştirilmesi önemlidir. 

Bazı senaryolarda, ilgili  donanım, bu senaryoyu kaldırabilecek güçte olabilir, EED sisteminin yüksek üretimi alması (depolamaya geçmesi) sağlanabilir. Bu durum için EED sisteminin öngörülenden daha yüksek kapasitede seçilmesi gerekebilir. EED sisteminin bu faaliyeti gerçekleştirmesi için elbette tam şarjlı pozisyonda olmaması gerekmektedir. Tasarım aşamasında bu hususa dikkat edilmelidir. 

EED sisteminin diğer üretim kaynakları ile birlikte kullanıldığı durumda, tüm sistemin birbiri ile uyumundan ve aynı güç sistemini beslerken problem oluşturmayacağından emin olunmalıdır.

♦ Şebeke işletmeleri için EED sistemi boyutlandırılırken, EED sistemlerinin şebeke ölçeğinde boyutlandırılması genelde şebeke işletmecisinin detaylı ihtiyaçlarına göre belirlenmektedir. Örneğin, frekans tepkisi için bir EED sisteminin tasarlanması durumunda, frekans değişim kayıtları, hangi boyutta, ne kadar sıklıkta ve ne kadar uzun süreli bir desteğe ihtiyaç olacağını belirleyebilir. Ayrıca günlük ne kadar bir çevrim oluşacağı belirlenerek uygun kapasite ve garantili çevrim karakteristiği belirlenebilir.