Mevcut türbinler, bir kontrol ünitesi (kavramalar- SSS Clutch) ile yenilenebilir kaynaklar için şebeke desteği sağlamak üzere yeniden kullanılabilir.
Son on yılda, baskın eğilim, kömür santrallerinin emekliye ayrılması ve yenilenebilir üretim kaynaklarının istikrarlı ilerlemesi olmuştur. Bir sonraki dalga, daha fazla rüzgar ve güneş kaynağı kullanıldığında mümkün olduğu kadar doğal gazla çalışan tesislerin aşamalı olarak kaldırılması gibi görünüyor.
Ancak, dönen üretim varlıklarını yerinden etme yönündeki bu amansız acelenin istenmeyen bir sonucu olarak şebeke istikrarsızlığı ortaya çıktı.
Kömür santrallerinin buhar türbinleri ve gaz türbinleri, kombine çevrim ve doğalgaz pik tesisleri, şebeke ataleti, stabilite ve reaktif gücün VAR'lar (Voltage Ampere Reactive) şeklinde sağlanması açısından hayati bir rol oynamaktadır.
Örneğin UK’da (İngiltere) hükümet, 2025 yılına kadar tüm kömür yakıtlı elektrik üretimini aşamalı olarak durdurmayı taahhüt etti. Son on yılda, ülke yaklaşık 20 GW yenilenebilir enerji kurdu. Sonuç olarak, UK’da (İngiltere) elektriğinin üçte birinden biraz fazlası (%37,1) yenilenebilir kaynaklardan geliyor ve önümüzdeki on yıl içinde 40 GW daha açık deniz rüzgarı kurma planları var.
Siemens Energy Birleşik Krallık (UK) Yüksek Gerilim Trafo Merkezleri Başkanı Mark Tiernan, “Yenilenebilir enerji, büyük bir merkezi elektrik santralinin yapacağı gibi doğrudan değil, elektronik olarak şebekeye bağlanıyor” diyor ve sözlerinin devamında şunları söylüyor; “Kömürden uzaklaşmanın bir sonucu olarak, şebekede daha az sayıda büyük dönen türbin var ve bu, sistemdeki atalet miktarında bir azalmaya yol açtı. Senkron gaz türbini ve buhar türbini jeneratörlerinin kaybı, daha düşük sistem ataleti şeklinde sistem kararsızlığına yol açar.”
Elektrikli Dişli
Yenilenebilir benimseme hızını sürdürmek ve hızlandırmak için bu tür hizmetleri sağlamayı amaçlayan çeşitli yaklaşımlar ortaya çıkıyor. Bu soruna geleneksel elektrik çözümleri; kapasitörler, statik VAR dengeleyicileri ve statik dengeleyicileri içerir. Kondansatör grupları tipik olarak elektrik trafo merkezlerine kurulur. Şönt kapasitörlerden oluşurlar. Nispeten ucuz, güvenilir ve kurulumu kolaydır. Ancak dezavantajları, geniş ayak izini ve yalnızca reaktif güç sağlayabilmeleri gerçeğini içerir, bunu absorbe edemezler. Yük hızla arttığında ve voltaj düştüğünde, kapasitörlerin etkinliği azalır.
Statik VAR Kompansatörleri (SVC'ler) temel olarak elektrik anahtarlarıdır. Şönt kapasitörler ve reaktörlerden oluşurlar ve basit kapasitörlerden daha yüksek derecede voltaj kontrolü sunarlar. Reaktif gücü emebilir ve sağlayabilirler, ancak voltaj kararsızlığı veya çökmesi karşısında mücadele ederler.
Statik senkron kompansatörler (StatComs), kapasitörler ve reaktörler yerine karmaşık güç elektroniklerinden yararlanır. Çok daha hızlı tepki süresi (mikrosaniye) sağlarlar ve daha az yer kaplarlar. Ancak daha temel ekipmanlara kıyasla pahalıdır. Örnekler arasında American Superconductor'ın Dynamic VAR (D-VAR) sistemleri, S&C Electric Company'nin Purewave DStatCom'u ve Siemens Energy'nin SVC Plus'ı sayılabilir.
SVC Plus, bir StatCom ve çok seviyeli dönüştürücü teknolojisini birleştirir. Sistemin yapısı, yalıtılmış kapılı bipolar transistörler (IGBT), reaktörler, kapasitörler ve AC güç transformatörleri gibi bir dizi elektrikli bileşenden oluşur. İletim sistemlerini stabilize etmek ve voltaj çökmesi ve elektrik kesintisi riskini azaltmak için hızlı bir şekilde endüktif veya kapasitif güç enjekte edebilir. Bu Siemens Energy ünitesi, geleneksel bir SVC'nin yaklaşık yarısı büyüklüğündedir.
Alman iletim sistemi operatörü Amprion, Alman şebekesini stabilize etmek için iki SVC Plus sistemi sağlamak üzere Siemens Energy'yi görevlendirdi. Tesisler Polsum, Kuzey Ren-Vestfalya ve Rheinau, Baden-Württemberg içindir. +/- 600 MVAR reaktif güç aralığı sağlarlar ve şebeke voltajını sabit bir aralıkta tutarlar. Genel olarak, iletim operatörleri, yeterli stabilite ve atalet sağlamak için Alman şebekesinin 28 GVAR'a ihtiyacı olduğunu hesaplıyor.
İtalya da bu teknolojiyi benimsiyor. Terna. SpA, iki SVC Plus sistemi sipariş etti. İtalya ile Karadağ ve anakara İtalya ile Sardunya arasındaki ara bağlantılara katkıda bulunacaklar. Terna, İtalya'nın Marche bölgesinde kurulu olan iki benzer sisteme sahip. 2021'in sonları ile 2022'nin ortaları arasında kademeli olarak çevrimiçi olacaklar.
Senkron Kondansatörler
Senkron kondansatörler, şebeke kararsızlığı sorunlarını çözmenin başka bir yoludur. Bununla ilgili sunulan çeşitli sistemler var. Siemens Energy ve GE, rakip elektrik sistemleri sunuyor.
Siemens Energy ünitesi, şebekeyi güçlendirmek için atalet, güvenilir çalışma için kısa devre gücü ve voltaj kontrolü için reaktif güç sağlamak için senkron bir kondansatör içerir. Özünde, senkron kondansatör, bir jeneratör ve bir volandan oluşan büyük bir döndürme makinesi parçasıdır. Şebekeye bağlandığında şebeke frekansı ile senkronize sürekli dönerek ataleti sağlar. Böylece, tıpkı araba amortisörlerinin yoldaki bir tümseği sönümlemesi gibi, frekanstaki herhangi bir dalgalanmayı azaltarak sistemin dengesine katkıda bulunur. Volan, daha büyük sistem ataleti için ek kütle ekleyen büyük bir tekerlektir. Bir gaz veya buhar türbininin dönen kütlesi için bir volanı ikame etmenin etkili bir yoludur.
Tiernan, "Volanı jeneratörün rotorunun dönen kütlesine bağlayarak, kısa devre katkısını sağlar ve gerekli ataleti arttırır" diyor ve "Bu şekilde, ağ frekansını stabilize etmeye yardımcı olacaklar." İfadesini sözlerine ekliyor.
Senkron jeneratör, bir yükseltici transformatör aracılığıyla yüksek voltajlı iletim şebekesine bağlanır. Frekans kontrollü bir elektrik motoru (pony motoru) veya bir başlangıç frekans dönüştürücüsü ile başlatılır ve durdurulur. Jeneratör çalışma senkron hızına ulaştığında iletim şebekesi ile senkronize olur ve makine iletim şebekesine reaktif ve kısa devre gücü sağlayan bir motor olarak çalıştırılır.
UK‘ın( Birleşik Krallık'ın) Ulusal Şebeke Yol Bulucu programı, özellikle İskoçya ve Galler'deki yerlerde bol miktarda kısa devre gücü sağlamayı amaçlamaktadır. Siemens Enerji bu program kapsamında üç proje ile ödüllendirildi. Welsh Power için Galler'deki Ebbw Vale, Rassau'daki bir tesiste çalışmalar başladı. Bu döner şebeke stabilizasyon teknolojisi, şebeke istikrarını yönetmek için sahaya kuruluyor. Yıl sonundan önce faaliyete geçecek.
Welsh Power'da Şebeke Hizmetleri Direktörü Chris Wickins, "Bir talimatın ardından 15 dakika içinde tesisimiz, şebekeyi sıfır emisyonla güvenli bir şekilde çalıştırmak için gereken ataletin yaklaşık %1'ini sağlayabilir" diyor.
İrlanda'daki Elektrik Tedarik Kurulu'na (ESB) benzer bir sistem, County Clare'de bulunan Moneypoint elektrik santrali için sağlanıyor. ESB, siteyi önümüzdeki on yıl içinde bir dizi yenilenebilir teknolojinin konuşlandırılacağı yeşil bir enerji merkezine dönüştürüyor.
ESB Üretim ve Ticaret'te Varlık Geliştirme Başkanı Paul Smith, “Özellikle rüzgar enerjisinin kesintili olması nedeniyle, şebeke stabilizasyon teknolojileri başarılı bir enerji geçişinde giderek daha önemli bir role sahip” diyor.
Bu arada GE Steam Power, kendi senkronize kondansatörlerini ve volan sistemini piyasaya sürüyor. İtalya'daki Brindisi trafo merkezi için Terna'ya böyle iki ünite sattı. Her biri +250/-125 MVAr'a kadar reaktif güç ve 1750 MW atalet sağlar. Gücün sürekli olarak akmasını sağlamak için iletim sistemi boyunca kuruluyorlar. GE'nin Sardinya ve Calabria'daki Selargius ve Maida tesislerinde Terna ile birlikte yürütülen dört adet 250 MVAr senkron kondansatör ünitesi daha bulunuyor. Ek olarak GE, Sicilya'daki Favara ve Partinico Terna Trafo Merkezleri için 2015'in sonundan beri çalışmakta olan iki adet 160 MVAr senkron kondansatör teslim etti. Bu, İtalya'nın şebekesi için 1.820 MVAr'a varan reaktif güç anlamına geliyor.
GE Steam Power Ürün Yönetimi Başkanı Chris Evans, "Üniteler ya yeni elektrikli döner ekipmanlardan ya da güvenilir şebeke stabilizatörleri olarak çalışacak şekilde yeniden yapılandırılmış mevcut jeneratörlerden oluşuyor, bu da şebekenin voltajını stabilize etmek anlamına geliyor" diyor. Volanlar, yeni bir tesisin inşası sırasında teslim edilebilen veya tesisin yaşam döngüsü sırasında sonradan eklenebilen, bunun yerine şebekenin frekansını dengelemeye yarayan ek atalet için ek bir özelliktir.
Senkron Yoğunlaştırma için Mevcut Jeneratörler
Şimdiye kadar sergilenen çeşitli sistemlerin tümü işi yapıyor. Ancak eski buhar ve gaz türbinlerini senkronize kondansatörlere dönüştürerek daha az sermaye yoğun bir yaklaşım mevcuttur. Mevcut eski türbinlere sahip birçok enerji santrali var. Bazıları zaten hizmet dışı bırakıldı ve birçoğu yenilenebilir kaynaklar güç kaynağında daha büyük bir pay aldığından önceki yıllarda olduğundan çok daha düşük kapasitede çalışıyor. Kaçınılmaz olarak, bu birimlerin giderek daha fazlası ya hizmet dışı bırakılacak ya da aşamalı olarak kullanımdan kaldırılacaktır.
Mevcut jeneratörlerin senkron yoğuşma sağlayacak şekilde dönüştürülmesi iki kategoriye ayrılır. Bunlardan biri, makinenin, mevcut bir türbin jeneratör setine bir senkron kendinden kaydırmalı (SSS) kavrama dahil ederek, gücün zirvesine ulaşması ve senkron yoğuşma için kullanılması içindir. Alternatif olarak, hizmet dışı bırakılmış kömür santrali buhar türbini jeneratörü gibi mevcut bir türbin jeneratör seti, türbin sökülerek ve bir SSS kavraması ile bir hızlandırma tahriki eklenerek hızlı bir şekilde senkron bir kondansatöre dönüştürülebilir ( baştaki resme bakın) .
Türbin veya yalnızca jeneratör uygulaması durumunda hızlanma tahriki, jeneratörü hızlandırır. Jeneratör şebeke ile senkronize olduğunda, türbin veya hızlanma tahriki jeneratörden ayrılır ve kapanır. Jeneratör daha sonra dönmeye devam etmek için şebeke gücünü kullanır ve gerektiğinde sürekli olarak önde gelen veya gecikmeli VAR'lar sağlar.
Buhar türbinleri ve gaz türbinlerinin yanı sıra, pistonlu motorlar için bu tür dönüşümler yapılabilir. Debriyaj, yalnızca reaktif güce ihtiyaç duyulduğunda ana hareket ettiriciyi jeneratörden tamamen ayırarak hareket eder. Aktif veya gerçek güç gerektiğinde, SSS kavrama elektrik enerjisi üretimi için otomatik olarak devreye girer. Bu, jeneratörü gaz türbininden bağımsız bir senkron motor olarak çalıştırarak, ünitenin voltaj kontrolü amacıyla şebekeye reaktif güç emmesini veya beslemesini sağlar. İnşa edilmekte olan yeni gazla çalışan enerji santralleri de bu şekilde çalışacak şekilde yapılandırılabilir.
SSS Clutch’dan Dave Haldeman, "Mevcut bir jeneratörün yerinde, iletim sistemine bağlı ve kontrollerle zaten çalışır durumda olması gerçeğinde önemli tasarruflar var" diyor ve sözlerine şöyle devam ediyor; "Ayrıca, bu yaklaşım, sisteme gerektiğinde yenilenebilir gücü tamamlayan bir yedek güç veya tepe gücü sağlar."
Virginia kırsalındaki Commonwealth Chesapeake Elektrik Santrali, yaklaşık 20 yıl önce kurulmuş 7 GE LM6000 gaz türbininden oluşuyor. Şebeke operatörünün ihtiyaçlarına bağlı olarak ara sıra güç sağlarlar. Sonuç olarak, dördü kavramalarla donatılmıştır.
Bu jeneratörler, senkron kondansatörler olarak çalışabilmeleri için türbinlerinden ayrılabilen debriyajlarla donatılmıştır. Bu durumda, şebeke operatörü, jeneratörün senkronize edilmesi ve döndürülmesi için tesise ödeme yapar, ancak güç türbinine bağlı değildir. Bu şebeke desteği sunuyor. Güç gerekli olduğunda, şebekenin başka bir yerinde üretim veya iletim kesintilerine cevap vermek için 10 dakika içinde şebekede olabilir. Kontrol yazılımı, türbini devreye sokmak veya devre dışı bırakmak için türbini hızlı bir şekilde senkron hıza getirmek için kullanılır. Devre dışı bırakıldığında, jeneratör dönmeye devam eder.
Haldeman, hem tamamen elektriksel senkron kondansatörler hem de eski motorları ve türbinleri kullananlar için bir yer görüyor. Daha fazla yenilenebilir enerji eklendikçe, atalet ve şebeke istikrarı talepleri yalnızca hızlanacaktır.
Sonuç:
Tamamen ekonomik bir perspektiften bakıldığında, halihazırda mevcut olan makineler kullanılarak para tasarrufu sağlanabilir. Ucuz bir güçlendirme, birkaç hafta içinde bir kavrama ekleyebilir (İletim hatları, şalter tertibatı, diğer elektrikli tertibatlar ve ayrıca izinler zaten mevcut). Tasarruf edilen para daha sonra şebekenin diğer alanlarını yükseltmek için kullanılabilir veya daha fazla rüzgar ve güneş projesine yatırım yapılabilir. Ayrıca, mevcut jeneratörler yük merkezlerinin yakınına kurulma eğilimindedir. Çoğu durumda, reaktif güç ihtiyacını destekleyebilecekleri ve sonuçta ortaya çıkan voltaj desteğini sağlayabilecekleri bir konum zaten vardır.
Türbin senkron yoğuşma modunda çalışmadığından yakıt yanması ve dolayısıyla emisyon olmaz. Tüm emisyon kaynaklarını aynı fırçayla boyamaya yönelik genel bir eğilim vardır. Ancak eskiyen bir kömür santrali ile doğal gazla çalışan bir türbin arasında emisyonlar açısından büyük bir fark vardır.
Haldeman, "Pik yapan gaz türbinleri, atalet ve reaktif güç desteği sağlayarak şebeke istikrarını korumada önemli bir role sahiptir" diyerek sözlerini şu şekilde tamamlıyor; . “Bu doğal gaz zirve üniteleri, yenilenebilir kaynaklar, derin dondurucu veya diğer bazı aşırı hava olayları gibi düşük seviyelerde olduğunda kritik bekleme gücü sağlayabilir. Aksi takdirde, yenilenebilir varlıkların daha büyük bir yüzdesi çevrimiçi hale geldiğinden yüksek talep görecek olan senkronize yoğuşma ve voltaj desteği sunarlar.”