The use of batteries as a frequency containment reserve in the power system

Abstract

The world is constantly shifting towards increasing the amount of renewable energy use for electricity generation. Many of the renewable energy sources have an unpredictable nature, which can cause issues in the power system. One of the issues with increased renewable energy penetration is more unstable power system due to constantly fluctuating power generation. For this purpose, energy storage systems with fast ramp up and down times are required to stabilize the power system.

This thesis is exploring the possibility to use batteries as a containment reserve in the power system. Only electrical energy storage methods are reviewed in this literature review. One of the aims of this thesis was to compare batteries and pumped hydro storage. Pumped hydro electric facilities are old and proven efficient technologies, but they have a high environmental and land use impact. Majority of the current electric energy storage systems are pumped hydro facilities and they can be used for frequency control by changing the water flow rate. Ramp up time of the most batteries can be measured in milliseconds, which is why they would be ideal for controlling the frequency in the power system.

Batteries could be implemented two main ways in the power system. Decentralized way on the load side of the power system or centralized way on the power generation side. The advantages of decentralized battery system are in effectiveness, flexibility and ability to reduce traffic in the electricity grid. However, decentralized battery systems would be more complex and costly. Centralized energy systems on the generation side can utilize wider range of batteries compared to decentralized battery systems. Decentralized battery systems would suit especially for frequency control where as centralized systems would be good for load levelling purposes.

Maailma on siirtymässä jatkuvasti enemmän uusiutuvien energianlähteiden käyttöön sähköntuotannossa. Monet uusiutuvista energianlähteistä ovat luonteeltaan arvaamattomia, mikä voi aiheuttaa ongelmia sähköjärjestelmässä. Yksi ongelmista on epävakaampi sähköjärjestelmä, joka johtuu jatkuvasti vaihtelevasta sähköntuotannosta. Ongelman ratkaisemiseksi tarvitaan sähkönvarastointitekniikoita, joiden energiantuotantoa voidaan lisätä tai vähentää nopeasti sähköjärjestelmän vakauttamiseksi.

Tämä opinnäytetyö tutkii mahdollisuutta käyttää akkuja sähköverkon taajuusohjaukseen ja häiriöreserviksi. Tässä kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan vain sähköenergian varastointimenetelmiä. Tämän opinnäytetyön yhtenä tavoitteena on vertailla akkuja ja pumppuvoimalaitoksia. Pumppuvoimalaitokset ovat vanhaa teknologiaa ja todistettavasti tehokas ratkaisu sähköenergian varastointiin mutta niillä on paljon negatiivisia ympäristövaikutuksia ja ne ovat tilaa vieviä. Suurin osa nykyisistä sähköenergian varastointi ratkaisuista on pumppuvoimalaitoksia ja niitä voidaan käyttää taajuusohjaukseen veden virtausnopeutta säätämällä voimalaitoksissa. Akkujen vasteaika on kuitenkin millisekunteja, minkä takia ne olisivat ideaalisia taajuusohjaukseen sähköjärjestelmässä.

Akkuja voitaisiin integroida sähköjärjestelmään kahdella eri tapaa. Hajautetusti kulutuksen puolella sähköjärjestelmää tai keskitetysti sähkötuotannon puolella. Hajautettujen akkujärjestelmien etuja olisi sähköjärjestelmän kuorman vähentäminen ja joustavuus. Hajautetut akkujärjestelmät ovat kuitenkin monimutkaisempia ja hintavampia kuin keskitetyt akkujärjestelmät. Keskitetyissä akkujärjestelmissä voidaan kuitenkin käyttää paljon erilaisia akkuja hajautettuihin akkujärjestelmiin verrattuna. Hajautetut akkujärjestelmät sopisivat enemmän taajuusohjaukseen, kun taas keskitetyt akkujärjestelmät kuormituksen tasapainottamiseen.