Stromnetze effizienter machen

Elektrische Übertragung und Verteilung waren lange Zeit eine harte Nuss für technologische Innovationen. Aber deregulierte Strommärkte helfen Technologieentwicklern, notorisch engstirnige, konservative Versorgungsunternehmen zu umgehen.

Die Schwungräder von Beacon Power können Energie in weniger als vier Sekunden aufnehmen und abgeben und gleichen Angebot und Nachfrage im Stromnetz schneller, sauberer und kostengünstiger als herkömmliche Kraftwerke aus. (Bildnachweis: Beacon Power Corp.)

TransÉnergie war wegweisend und nutzte Gleichstromtechnologie, um eigene Handelsstromleitungen zu bauen, die Strom für den Meistbietenden transportieren, anstatt nur die lokalen Versorgungsunternehmen zu bedienen (siehe TransÉnergie: Playing Two Power Games ).



Jetzt Entwickler von Energiespeichern Beacon Power Corp. of Wilmington, MA, schlägt einen ähnlichen Endlauf um langsam wachsende Versorgungsunternehmen vor. Anstatt seine Schwungrad-basierten Energiespeichersysteme an Versorgungsunternehmen zu vermarkten, plant das Unternehmen den Bau eigener kommerzieller Schwungradanlagen, die Strom auf und von einer Stromleitung leiten, um das Netz zu stabilisieren.

Es ist eine Idee, die bei den unabhängigen Systembetreibern (ISOs), den regionalen Organisationen, die mit dem Betrieb der Stromnetze des Landes beauftragt sind, Aufmerksamkeit erregt. Die ISOs in Kalifornien und New York testen bereits die Ausrüstung von Beacon Power. Und Matt Lazarewicz, Chief Technical Officer des Unternehmens, sagt, eine ebenso wichtige Zielgruppe sei die Wall Street. Seiner Meinung nach ist das Händlermodell das einzige Modell, das die Wall Street finanzieren wird. Die Renditen seien so höher, sagt Lazarewicz. Sobald Sie sagen, dass ein Versorgungsunternehmen etwas kaufen oder tun wird, rollen die Anleger mit den Augen und gehen weg.

Die Schwungrad-Energiespeichersysteme von Beacon Power sind für die Frequenzregelung ausgelegt – ein Service, für den ISOs letztes Jahr mehr als 600 Millionen US-Dollar bezahlt haben. Netzbetreiber benötigen Hilfe bei der Frequenzregelung, da die Frequenz des Wechselstroms eines Netzes beim Ein- und Ausschalten von elektrischen Geräten und Generatoren ständig schwankt, was zu vorübergehenden Ungleichgewichten bei Stromerzeugung und -nachfrage führt. Eine nicht gedeckte Nachfrage belastet die Kraftwerke eines Netzes, verlangsamt sie und zieht die Netzfrequenz unter ihren Sollwert (60 Hz in Nordamerika, 50 Hz in Europa und den meisten Teilen Asiens). Ein Überangebot hat den gegenteiligen Effekt. Beide Zustände können dazu führen, dass sich Versorgungsleitungen und Kraftwerke automatisch vom Netz trennen, wodurch Schäden an Versorgungs- und Kundengeräten verhindert, aber auch das Risiko von Stromausfällen erhöht wird.

ISOs verlassen sich derzeit auf fossil befeuerte Kraftwerke – hauptsächlich Gasturbinen – um die Frequenzschwankungen eines Netzes auszugleichen. Versorgungsunternehmen bieten sich an, diesen Service bereitzustellen, indem sie einen festgelegten Anteil der Kapazität ihrer Kraftwerke (etwa 1-2 Prozent der gesamten Stromerzeugung eines Netzes) unter die direkte Kontrolle der ISOs stellen. Auf Signale von ISOs hin fahren bestimmte Werke hoch und runter, um Angebot und Nachfrage grob auszugleichen. Dies ist ein kostspieliger und umweltbelastender Prozess, da Kraftwerke ihren Brennstoff am effizientesten verbrennen, wenn sie konstant und mit voller Kapazität betrieben werden. Regulierung bei der Erzeugung fossiler Brennstoffe sei mit dem Schwanzwedeln verbunden, sagt Imre Gyuk, der das Forschungsprogramm zur Energiespeicherung des US-Energieministeriums leitet.

Aufgrund der steigenden Erdgaspreise wird auch die gasbefeuerte Frequenzregelung immer teurer. Dan Mears, Präsident des in San Diego ansässigen Energieberatungsunternehmens Technology Insights, sagt, dass teures Gas die ISOs zweimal trifft. Die hohen Gaspreise treiben nicht nur die Kosten der gasbefeuerten Frequenzregelung in die Höhe, sondern beschleunigen auch die Installation von Windkraftanlagen, deren böige, abgehackte Leistung den Bedarf an Frequenzregelung erhöhen kann. Es ist ein Problem, sich selbst zu ernähren, sagt Mears.

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Die Schwungradspeichersysteme von Beacon Power sind so programmiert, dass sie Frequenzschwankungen durch Recycling von Energie auf null ausgleichen: Ein Elektromotor nutzt überschüssigen Strom aus dem Netz, um magnetisch schwebende Karbon- und Glasfaserschwungräder auf bis zu 22.500 U/min zu beschleunigen, und entlädt diese gespeicherte kinetische Energie dann, indem er den Strom regeneriert, wenn die Netzfrequenzeinbrüche. Im Gegensatz zu Batterien – dem führenden Wettbewerber in der Energiespeicherung – können die Schwungräder von Beacon einem kontinuierlichen Tiefzyklus standhalten, ohne an Kapazität zu verlieren.

Der jüngste Test seiner Technologie, ein viermonatiger Versuch, der letzte Woche im San Ramon-Forschungszentrum von Pacific Gas and Electric begonnen hat, verwendet sieben 6-Kilowattstunden-Schwungräder, jedes von der Größe eines kleinen Kühlschranks, die zu einem System zusammengefasst sind, das kann 15 Minuten lang 100 Kilowatt Leistung aufnehmen oder abgeben. Für kommerzielle Systeme baut Beacon Power 25-Kilowatt-Schwungräder in der Größe von großen Kühlschränken, die zu Clustern kombiniert werden, um 1 bis 20 Megawatt zu liefern.

Durch die schnelle Reaktion der Schwungräder sollte jedes Megawatt auch über die äquivalente Leistung eines Gaskraftwerks hinausgehen, sagen Beamte der Kalifornische Energiekommission in Sacramento, das die kalifornische Demonstration mit dem US-Energieministerium (DOE) kofinanziert. Mike Gravely, der Projektmanager der California Energy Commission, der die San Ramon-Tests betreut, sagt, dass gasbefeuerte Generatoren fünf Minuten oder länger brauchen können, um auf die Frequenzsteuersignale der kalifornischen ISO (die alle vier Sekunden ausgegeben werden) zu reagieren. Bis dahin hat sich das System oft von selbst wieder in Richtung Gleichgewicht bewegt. Im Gegensatz dazu sind die Schwungräder von Beacon in der Lage, schneller von voller Kraftaufnahme auf volle Kraftentladung umzuschalten, als Cal-ISO seine Befehle senden kann. Es besteht die Möglichkeit, dass Sie nicht so viel Energie benötigen, wenn Sie schneller auf die Bedürfnisse reagieren können – Sie können mit weniger mehr erreichen, sagt Gravely.

Gyuk vom DOE sagt voraus, dass nur 100 Megawatt Schwungradreserve – die Hälfte dessen, was Kalifornien heute von konventionellen Generatoren kauft – 90 Prozent der Frequenzprobleme des Staates bewältigen könnten. Und wenn die Kosten wie von Beacon Power prognostiziert eintreten, könnten die resultierenden Einsparungen beträchtlich sein. Lazarewicz sagt, dass der Bau einer 1-Megawatt-Anlage etwa 1,5 Millionen US-Dollar kosten wird und von den ISOs für ihre Dienstleistungen etwa 400.000 US-Dollar pro Jahr eingenommen werden können. Infolgedessen sollte sich die Anlage laut Lazarewicz in vier Jahren amortisieren, selbst wenn die Kosten für den Stromverlust beim Betrieb der Systeme (etwa 15 Prozent der gesamten verarbeiteten Energie) gedeckt sind.

Mears sagt, dass die schnelle Reaktion des Schwungrads auch einen willkommenen Nebennutzen haben könnte: die Verbesserung der Zuverlässigkeit des Gitters. Schwungradanlagen könnten Gaskraftwerke freisetzen, um an schwülen Sommertagen, wenn die Klimaanlagen auf Hochtouren laufen und die Stromleitungen zwischen den Bundesstaaten voll sind, zusätzliche Spitzenleistung zu liefern. Darüber hinaus könnte die schnelle Reaktion des Schwungrads die Netzfrequenz fester halten und Leistungsabweichungen unterdrücken, die klein beginnen, aber bei Überlastung des Systems einen Kaskadenausfall auslösen können. Das Netz stabil zu halten ist der Grundgedanke der Frequenzregulierung, stimmt Lazarewicz zu. Dies ist einfach ein Weg, wie wir das besser und billiger machen können.

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