Akkuvaraston hyödyntäminen ja kannattavuus sähkönjakeluverkossa
Minkkinen, Erkki (2021)
Diplomityö
Minkkinen, Erkki
2021
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202104089715
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202104089715
Tiivistelmä
Tässä diplomityössä tarkastellaan akkuvarastojen hyödyntämismahdollisuuksia ja kannattavuutta sähkönjakeluverkoissa. Työssä tehtiin kirjallisuuskatsaus eri sähkövarastoteknologioista ja niiden hyödyntämisestä jakeluverkoissa sekä sähkö- ja reservimarkkinoilla. Työssä tehtiin myös teknistaloudellisia tarkasteluja sähkövarastojen kannattavuudesta keskeytyskustannusten näkökulmasta Järvi-Suomen Energian jakeluverkossa.
Kirjallisuuskatsauksen selvitysten perusteella litiumioniakut ovat tällä hetkellä toiseksi yleisin sähkön varastointiteknologia. Litiumioniakkujen suosio kasvaa etenkin sähköverkkoa tukevissa järjestelmissä. Suosion kasvu johtuu litiumioniakkujen hintojen laskusta ja niiden sähköverkkokäyttöihin hyvin soveltuvista ominaisuuksista. Jakeluverkkoyhtiö ei saa omistaa sähkövarastoa kuin erityisissä poikkeustapauksissa. Sähkövaraston omistajana tulee olla ulkopuolinen markkinaosapuoli. Jakeluverkkoyhtiö voi hankkia sähkövaraston käytön sähköverkkoa tukeviin ratkaisuihin kyseiseltä markkinaosapuolelta palveluna. Jakeluverkkoyhtiö voi hyödyntää sähkövarastoa muun muassa keskeytyskustannusten pienentämiseen, jännitteen säätöön ja loistehon kompensointiin, kuormituksen tasaamiseen sekä investointien lykkäämiseen. Markkinaosapuoli voi hyödyntää sähkövarastoa sähkömarkkinoilla.
Työssä suoritetut teknistaloudelliset tarkastelut pohjautuvat luotettavuuden Monte Carlo-simulaatioihin. Monte Carlo-simulaatioilla voidaan ottaa huomioon vikojen ilmenemisen satunnaisuus. Tilastoituja vikatilastoja voidaan kuitenkin käyttää myös kannattavuuslaskennan lähtötietoina. Tällöin tulee ottaa huomioon se, että historiaan perustuva vikatilasto ei vastaa koskaan täysin tulevaisuutta.
Käytettäessä sähkövarastoa verkon luotettavuuden kehittämiseen, mitoituksen määrittää keskeytysten aikaiset saarekkeen asiakkaiden tehot ja energiankulutus sekä saarekkeen suojauksen toimivuus saarekeajon aikana. Suojauksen toimivuuden kannalta tärkeimpiä tekijöitä ovat verkkovaihtosuuntaajan riittävä oikosulkuvirran syöttökyky ja sulakkeiden toiminta-aikavaatimusten täyttyminen. Muutoin mitoituksen perustana on sähkövaraston käyttöjen tarpeet ja vaatimukset tehon ja energian suhteen. Työn tarkastelujen perusteella jakeluverkkoyhtiön omistama, pelkästään keskeytyskustannusten pienentämiseen käytettävä sähkövarasto ei ole taloudellisesti kannattava investointi. Sähkövaraston hyödyntäminen voi olla kannattavaa verkkoyhtiölle, kun verkkoyhtiö hankkii sähkövaraston käytön palveluna markkinaosapuolelta. Vaikuttavimmat tekijät järjestelmän kannattavuuteen ovat investointikustannukset, verkkoyhtiön liittymien ja siirtotariffien hinnoitteluperiaatteet sekä tarkasteltavan kohteen luotettavuuden nykytila ja luotettavuuden kehitys tulevaisuudessa. Verkkoyhtiön ja markkinaosapuolen liiketoimintamallissa määritetyt omistusrajat vaikuttavat molempien osapuolien investointikustannuksiin ja kannattavuuteen. Keskeytyksistä aiheutuneesta haitasta saavutettavien säästöjen suuruus riippuu tarkasteltavan kohteen vikataajuudesta, keskimääräisestä keskeytysten pituudesta ja keskitehosta. This thesis studies the utilization and economic feasibility of battery energy storage systems in distribution networks. Studies in this thesis were carried out with a literature review and techno-economical evaluation. Different energy storage system technologies and their utilization were researched in the literature review. Techno-economical evaluations were made for using battery energy storage systems to improve the reliability of distribution networks. Focus on the improvement of reliability was in reducing customer interruption costs. The evaluations made considered the distribution network of Järvi-Suomen Energia.
According to the literature review, lithium-ion batteries are the second most common choice for electrical energy storing. The popularity of lithium-ion batteries is growing especially in ancillary services. Main reasons for the growth of popularity are the continuous decrease in the prices of lithium-ion batteries and their suitable properties for ancillary services. Finnish laws prevent distribution system operators from owning an energy storage, except in special cases. This means that the battery energy storage must be owned by a separate company. From this company, the distribution system operator may purchase the battery utilization as a service. The distribution system operator can use these services for improving the reliability of the distribution network, voltage, and reactive power regulation, reducing peak demand power and for deferring investments. The owner of the battery energy storage system can utilize the battery in electricity markets.
The techno-economical evaluations of this thesis were based on the reliability data gained from Monte Carlo simulations. The Monte Carlo simulations were used to consider the random nature of faults in distribution networks. Historical fault data can also be used to perform these feasibility analyses. In that case, it must be noted that the historical data never fully corresponds the faults that will occur in the future.
When using battery energy storage systems to improve the distribution network’s reliability, the sizing of the battery energy storage system is defined by the powers and energies in the island during the interruptions, but also by network protection. The functionality of the protection in islanded mode must not differ from grid-connected mode. Regarding the protection, the main factors are sufficient production of short circuit current from the inverter and meeting the demands in time operating characteristics of the network’s fuses. Otherwise, the sizing is defined by the needs and demands regarding which operation the battery energy storage is used for. Based on the techno-economical evaluations made in this thesis, a battery energy storage owned by a distribution system operator and used solely for reliability improving is not economically feasible. The utilization of a battery energy storage system may be economically feasible when distribution system operator acquires the services from a separate company that owns the battery. This company is called the service provider. The key factors in the economic feasibility for the distribution system operator in this case are the investment costs, the pricing principles of customer connection points and fees, but also the business model created between the service provider and the distribution system operator. The business model defines the boundaries of ownership to the system between the distribution system operator and the company that owns the battery, and thus affects the investment costs and economic feasibility of both companies. The savings achievable for the distribution system operator from customer interruption costs with reliability improvement depend on the failure rate, average interruption duration and average power of the network.
Kirjallisuuskatsauksen selvitysten perusteella litiumioniakut ovat tällä hetkellä toiseksi yleisin sähkön varastointiteknologia. Litiumioniakkujen suosio kasvaa etenkin sähköverkkoa tukevissa järjestelmissä. Suosion kasvu johtuu litiumioniakkujen hintojen laskusta ja niiden sähköverkkokäyttöihin hyvin soveltuvista ominaisuuksista. Jakeluverkkoyhtiö ei saa omistaa sähkövarastoa kuin erityisissä poikkeustapauksissa. Sähkövaraston omistajana tulee olla ulkopuolinen markkinaosapuoli. Jakeluverkkoyhtiö voi hankkia sähkövaraston käytön sähköverkkoa tukeviin ratkaisuihin kyseiseltä markkinaosapuolelta palveluna. Jakeluverkkoyhtiö voi hyödyntää sähkövarastoa muun muassa keskeytyskustannusten pienentämiseen, jännitteen säätöön ja loistehon kompensointiin, kuormituksen tasaamiseen sekä investointien lykkäämiseen. Markkinaosapuoli voi hyödyntää sähkövarastoa sähkömarkkinoilla.
Työssä suoritetut teknistaloudelliset tarkastelut pohjautuvat luotettavuuden Monte Carlo-simulaatioihin. Monte Carlo-simulaatioilla voidaan ottaa huomioon vikojen ilmenemisen satunnaisuus. Tilastoituja vikatilastoja voidaan kuitenkin käyttää myös kannattavuuslaskennan lähtötietoina. Tällöin tulee ottaa huomioon se, että historiaan perustuva vikatilasto ei vastaa koskaan täysin tulevaisuutta.
Käytettäessä sähkövarastoa verkon luotettavuuden kehittämiseen, mitoituksen määrittää keskeytysten aikaiset saarekkeen asiakkaiden tehot ja energiankulutus sekä saarekkeen suojauksen toimivuus saarekeajon aikana. Suojauksen toimivuuden kannalta tärkeimpiä tekijöitä ovat verkkovaihtosuuntaajan riittävä oikosulkuvirran syöttökyky ja sulakkeiden toiminta-aikavaatimusten täyttyminen. Muutoin mitoituksen perustana on sähkövaraston käyttöjen tarpeet ja vaatimukset tehon ja energian suhteen. Työn tarkastelujen perusteella jakeluverkkoyhtiön omistama, pelkästään keskeytyskustannusten pienentämiseen käytettävä sähkövarasto ei ole taloudellisesti kannattava investointi. Sähkövaraston hyödyntäminen voi olla kannattavaa verkkoyhtiölle, kun verkkoyhtiö hankkii sähkövaraston käytön palveluna markkinaosapuolelta. Vaikuttavimmat tekijät järjestelmän kannattavuuteen ovat investointikustannukset, verkkoyhtiön liittymien ja siirtotariffien hinnoitteluperiaatteet sekä tarkasteltavan kohteen luotettavuuden nykytila ja luotettavuuden kehitys tulevaisuudessa. Verkkoyhtiön ja markkinaosapuolen liiketoimintamallissa määritetyt omistusrajat vaikuttavat molempien osapuolien investointikustannuksiin ja kannattavuuteen. Keskeytyksistä aiheutuneesta haitasta saavutettavien säästöjen suuruus riippuu tarkasteltavan kohteen vikataajuudesta, keskimääräisestä keskeytysten pituudesta ja keskitehosta.
According to the literature review, lithium-ion batteries are the second most common choice for electrical energy storing. The popularity of lithium-ion batteries is growing especially in ancillary services. Main reasons for the growth of popularity are the continuous decrease in the prices of lithium-ion batteries and their suitable properties for ancillary services. Finnish laws prevent distribution system operators from owning an energy storage, except in special cases. This means that the battery energy storage must be owned by a separate company. From this company, the distribution system operator may purchase the battery utilization as a service. The distribution system operator can use these services for improving the reliability of the distribution network, voltage, and reactive power regulation, reducing peak demand power and for deferring investments. The owner of the battery energy storage system can utilize the battery in electricity markets.
The techno-economical evaluations of this thesis were based on the reliability data gained from Monte Carlo simulations. The Monte Carlo simulations were used to consider the random nature of faults in distribution networks. Historical fault data can also be used to perform these feasibility analyses. In that case, it must be noted that the historical data never fully corresponds the faults that will occur in the future.
When using battery energy storage systems to improve the distribution network’s reliability, the sizing of the battery energy storage system is defined by the powers and energies in the island during the interruptions, but also by network protection. The functionality of the protection in islanded mode must not differ from grid-connected mode. Regarding the protection, the main factors are sufficient production of short circuit current from the inverter and meeting the demands in time operating characteristics of the network’s fuses. Otherwise, the sizing is defined by the needs and demands regarding which operation the battery energy storage is used for. Based on the techno-economical evaluations made in this thesis, a battery energy storage owned by a distribution system operator and used solely for reliability improving is not economically feasible. The utilization of a battery energy storage system may be economically feasible when distribution system operator acquires the services from a separate company that owns the battery. This company is called the service provider. The key factors in the economic feasibility for the distribution system operator in this case are the investment costs, the pricing principles of customer connection points and fees, but also the business model created between the service provider and the distribution system operator. The business model defines the boundaries of ownership to the system between the distribution system operator and the company that owns the battery, and thus affects the investment costs and economic feasibility of both companies. The savings achievable for the distribution system operator from customer interruption costs with reliability improvement depend on the failure rate, average interruption duration and average power of the network.