Energy storage optimization for hybrid renewable energy

Abstract

Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli kartoittaa akkuenergian varastointijärjestelmän (BESS) rakentamisen rajoituksia ja säädöksiä Puutionsaaren projektialueella sekä laatia alustava suunnitelma kyseiselle järjestelmälle. Suunnitelmaan sisältyy järjestelmän tekniset ominaisuudet, alueiden rajaukset ja esimerkkiasettelu. Puutionsaari-hanke on uusiutuvan energian hybridipuisto, johon on suunnitteilla 350 MW tuulivoimaa ja 100 MW aurinkovoimaa. Akkuvaraston koon tulisi olla noin 10 % puiston kapasiteetista ja sen latausajan kaksi tuntia.

Tiedonkeruu toteutettiin kirjallisuustutkimuksen sekä kyselyiden, kokousten ja sähköpostikeskustelujen avulla akkuvarastojen toimittajien kanssa. Tutkimus aloitettiin tarkastelemalla BESS-ratkaisujen teknisiä näkökulmia ja asiaankuuluvia rakennussäädöksiä. Kävi ilmi, että litiumrautafosfaatti (LiFePO4 tai LFP) on yleisin teknologia sen useiden hyvien ominaisuuksien vuoksi.

Akkuvarasto sisältää mm. akut, akkujen hallintajärjestelmän, tehonmuunnosjärjestelmän, jäähdytysjärjestelmän, automaattisen palonsammutusjärjestelmän ja energianhallintajärjestelmän. Sähköasennusstandardit muodostavat järjestelmän vaatimusten perustan, mutta paikallisten lainsäätäjien, palokunnan ja vakuutusyhtiöiden asettamat lisärajoitukset vaativat lisätutkimuksia. Tällä hetkellä lupamenettely on suhteellisen yksinkertainen, mutta sen odotetaan tiukentuvan sääntelyn kehittyessä. Maankäyttö- ja rakennusasetus sekä Haapaveden paikalliset rakennusmääräykset asettavat yleiset rajoitukset rakentamiselle.

Mahdolliset BESS-sijainnit ovat Puutionsaari-hankkeen eteläisen sähköaseman ympäristössä, koska pohjoisen sähköaseman alueella on rajoituksia, kuten omistuskysymyksiä ja turva-alueita. Esimerkkiasettelussa on esitetty 40 MW akkuvarasto, joka on kytketty sähköaseman muuntajaan. Vertailu aurinko+varastointi ja tuuli+varastointi -ratkaisujen välillä olisi suositeltavaa parhaan hyödyn saamiseksi ja laajempi katsaus akkumarkkinoiden erilaisiin palveluihin, kuten optimointi- ja turvallisuuspalveluihin, voisi antaa objektiivisemman kuvan systeemin heikkouksista ja lisätä varmuutta lopulliseen suunnitelmaan.

This thesis aimed to identify the limitations and regulations for constructing a battery energy storage system (BESS) in the Puutionsaari project area and to develop a preliminary plan for the system. The plan includes basic technical parameters, site outlines, and an example layout. The Puutionsaari project is a hybrid renewable energy park with a planned capacity of 350 MW of wind power and a 100 MW solar park. It was determined that the BESS should be approximately 10% of the hybrid park’s capacity with a charge time of two hours.

The data was collected through literary research as well as inquiries, meetings and e-mail conversations with battery storage suppliers. It was found that lithium iron phosphate (LiFePO4 or LFP) is the dominant technology, preferred due to its decreasing price, high efficiency, safety, and energy density, despite some risks like thermal runaway. Redox flow batteries were also noted but were less common.

A BESS includes batteries, a battery management system, a power conversion system, a cooling system, automatic fire suppression, and an energy management system. Standards for electrical installations form the basis for system requirements, but additional restrictions from local legislators, fire departments, and insurance companies need further investigation. Currently, permitting is relatively simple but expected to become stricter as regulations evolve. The Land Use and Building Decree and local building regulations in Haapavesi set general construction restrictions.

Technical specifications vary among suppliers. The design of the storage system is based on production data and connection point size, with a typical delivery time of around one year. This delivery includes the design, delivery, and installation of batteries and PCS with transformers, cabling, an Energy Management System (EMS), commissioning, and yearly maintenance. Excavation work may be performed by the supplier or subcontracted.

Potential BESS sites are around the southern substation due to restrictions around the northern substation, including property ownership and safety zones. The example layout shows a 40 MW BESS connected to the substation’s transformer. A comparison between solar + storage and wind + storage could be useful for getting the best feasibility. Utilization of available services regarding, for instance, safety and optimization would enhance reliability of the system.