Wzrost cen energii, gazu i innych paliw nie zwalnia tempa, w wyniku czego nawet mimo wprowadzonych zmian legislacyjnych, zmieniających zasady rozliczania prosumentów na ich niekorzyść, liczba indywidualnych wytwórców energii elektrycznej będzie rosła. Przełomowym wydarzeniem była końcówka 2021 roku, kiedy moc zainstalowana w samych mikroinstalacjach PV przekroczyła 5 GW, przyczyniając się do spełnienia celu dla energetyki słonecznej na 2030 rok, określonego w dokumencie PEP2040. Dodatkowo, dzięki nowym programom jak Moje Ciepło, w polskim ciepłownictwie indywidualnym wzrośnie udział pomp ciepła – instalacji zasilanych energia elektryczną. Rosnące zainteresowanie w zakresie pokrywania własnych potrzeb energetycznych powinno iść w parze z dbałością o utrzymanie tej niezależności – na przykład poprzez inwestycje w prywatne magazyny energii elektrycznej. To właśnie do tych inwestycji można będzie spodziewać się dodatkowych dopłat w ramach czwartej już edycji programu Mój Prąd (co najmniej 25% zakupu). Z tego powodu należy zastanowić się jakie możliwości dają nam magazyny energii elektrycznej i czego właściwie możemy od nich oczekiwać.
Rola magazynów energii
Akumulacja energii pozwala na jej wykorzystanie w odpowiednim momencie, co staje się wyjątkowo atrakcyjną kwestią w czasach istotnych dla energetyki. Potrzebujemy zniwelować problemy z okresowością produkcji energii ze źródeł odnawialnych, stających się jednym z filarów nowoczesnych systemów energetycznych. Niesterowalność takich jednostek wytwórczych jest kluczowym problemem odejścia od paliw konwencjonalnych i wypełnienia wyznaczonych celów klimatycznych. Korzystając z innowacji, jakimi są magazyny energii, bylibyśmy w stanie kontynuować proces transformacji sektora energetycznego, poprzez gromadzenie nadwyżek energii podczas szczytowej produkcji i późniejsze jej wykorzystanie w chwili niedoborów sieciowych. Najlepiej zilustrować to na przykładzie mikroskalowej energetyki słonecznej. Mimo, że w południe produkcja energii z modułów PV jest najwyższa, to często nie ma możliwości jej wykorzystania z powodu niskiego zapotrzebowania (dolina energetyczna). Tendencja ta zmienia się późnym popołudniem oraz na wieczór, gdy popyt rośnie, a podaż energii maleje. Te naprzemienne nadwyżki i deficyty mogą zostać z powodzeniem zbilansowane właśnie przez skojarzenie z instalacją PV magazynu energii elektrycznej. Szczególnie ważne stają się w przypadku eksploatacji szerzej rozważanych źródeł odnawialnych, które mimo zerowej emisji wiążą się ze wspomnianą, dużą niestabilnością produkcji. Dobrym przykładem jest fotowoltaika, bijąca rekordy wytwarzania w miesiącach letnich (wysokie natężenie promieniowania słonecznego, długie dni), ale praktycznie niezauważalna w sezonie zimowym. Przykładowy prosument, wyposażony w takie urządzenie, mógłby znacząco ograniczyć do niezbędnego minimum wykorzystanie energii z sieci a tym samym rachunki. W przypadku blackoutu jako jeden z nielicznych nie musiałby z roztargnieniem szukać świeczek po domu, ponieważ naładowany magazyn zapewniłby mu dostawy energii na kluczowe pierwsze godziny, kiedy system byłby „stawiany na nogi” przez operatora. Szczególnie istotną rolę takie instalacje pełniłyby w skali makro, regulując odpowiednią częstotliwość i dostępność energii w sieci, zapewniając jej prawidłową pracę.
Zasadność takiej inwestycji potwierdzają liczne przedsięwzięcia, realizowane przez spółki. Od kilku lat, sukcesywnie wprowadza się takie instalacje pod kątem różnorodnych procesów np. współpracujący z odnawialnymi źródłami energii. Nie inaczej jest nad Wisłą – pierwszy w Polsce, 750 – kilowatowy magazyn energii, skojarzony z farmą fotowoltaiczną i wiatrową, został uruchomiony przez firmę Energa Operator w okolicach Pucka w 2016r. Jest sterowany zdalnie, oferując pojemność rzędu ok. 1,5MWh, co pozwala na zasilanie ponad tysiąca mieszkańców przez dwie godziny.
Jednym z największych magazynów w Polsce jest instalacja zasilająca trakcję utworzona przez PKP Energetyka w Garbcach w województwie Dolnośląskim. Pozwala ona na uzupełnienie dodatkowych potrzeb mocy wykorzystując energię zgromadzoną uprzednio w zasobniku. Jego pojemność wynosi aż 1880kWh a napięcie nominalne każdej komórki bateryjnej oscyluje na poziomie 3,92V. W tym przypadku praca magazynu również jest sterowana zdalnie i monitorowana.
Grupa PGE wraz ze spółką Tauron podjęły współpracę w zakresie rozwoju własnych instalacjami o szacowanych pojemnościach przekraczających 500kW mocy skojarzonych odpowiednio z farmą fotowoltaiczną na górze Żar i Elektrownią Wodną Lubachów.
Największym obecnie obiektem akumulacyjnym jest jednostka, zlokalizowana w Minety, w południowo-zachodniej Anglii. Jej moc wynosi 100 MW, pozwalając właścicielowi (Shell Energy) na sprzedaż zgromadzonej energii do kilkunastu tysięcy domów.
Dobry magazyn
Z punktu widzenia czasu reakcji, zagospodarowania przestrzeni najwygodniejszą formą magazynowania energii elektrycznej, szczególnie w gospodarstwach domowych, są elektrochemiczne magazyny energii. Spełniają one oczekiwania klientów ze względu na swój niewielki rozmiar, bezpieczne działanie bez ingerencji w otoczenie i koszty. Liczba cykli ładowania i rozładowania wynosi około 10 tys., co oznacza dla klienta kilkanaście lat efektywnej pracy urządzenia. Koszty początkowe magazynu o pojemności około 10tys. kWh przeznaczone dla statystycznych gospodarstw domowych wynoszą około 40 tys. złotych. Cena nadal nie zachwyca ze względu na częste wykorzystanie rzadkich surowców, nowoczesnych technologii i wciąż małą dostępność oraz małą konkurencję, chociaż nieustannie maleje, o około 20% rocznie od 2010.
Działanie
Akumulatory elektryczne uwalniające energię, dzięki odwracalnym reakcjom chemicznym zachodzącym w ogniwach są najpopularniejszym rozwiązaniem magazynów. Ich działanie polega na dwóch cyklach pracy: poborze energii z akumulatora i ładowaniu go. Skonstruowane są z trzech kluczowych elementów, które definiują ich pracę tj. katody, anody i elektrolitu. Katoda – elektroda dodatnia, na której zachodzi reakcja redukcji poprzez wykorzystanie elektronów uwolnionych z anody. Anoda – elektroda ujemna, na której podczas pracy zachodzi reakcja utlenienia, uwalniająca elektrony. Elektrolit – substancja chemiczna umożliwiająca przepływ jonów między elektrodami i zajście reakcji red-ox. Baterie różnią się budową i substancjami z jakich są wykonane elektrody oraz rodzajem elektrolitu, w którym zachodzi przepływ jonów. Wśród dostępnych technologii na rynku widać zdecydowaną poprawę parametrów technicznych akumulatorów. Starsze, mniej wydajne i bezpieczne rodzaje baterii są wypierane przez nowoczesne baterie litowo-jonowe czy supernowoczesne „flow batteries”. Dwie ostatnie odmiany różnią się metodą wymiany jonów w ogniwie.
Baterie litowo-jonowe
Wyróżniającym się przedstawicielem są baterie litowo-jonowe, które w ciągu ostatnich lat zdominowały rynek. Ich nazwa sugeruje elementy z jakich jest skonstruowana. Elektrody są wykonane z porowatego grafitu o strukturze warstwowej oraz tlenków metali np. (litu i niklu, manganu, kobaltu, tytanu, żelaza), tymczasem rolę elektrolitu spełniają sole litu – najczęściej LiPF6 rozpuszczone w organicznych rozpuszczalnikach. Podczas ładowania uwolnione jony w postaci atomów litu migrują z katody przez elektrolit do anody i osadzają się na warstwie porowatego grafitu a w czasie pracy proces się odwraca. Napięcie pojedynczego ogniwa wynosi około 3,5V, sprawność oscyluje w okolicach aż dziewięćdziesięciu kilku procent. Mają wysokie parametry mocy i gęstości energii na poziomie 1000 W/kg i 150Wh/kg, co pozytywnie wpływa na szybkość ładowania a ich liczba cykli (zależna od temperatury) osiąga do kilkunastu tysięcy rozładowań. Stosunek wielkości oraz wagi do pojemności jest bardziej korzystny względem poprzedników (nawet 3-krotnie). Niski prąd samorozładowania wpływa na ich zwiększoną żywotność, a stosunkowo szeroki zakres temperatury pracy – od -20°C do 50°C , pozwala na relatywnie szeroki wachlarz zastosowań. Dzięki tak wielu atutom, baterie Li-io znalazły zastosowanie w magazynach skojarzonych właśnie z energetyką odnawialną, szczególnie słoneczną, ale spotykamy je na każdym kroku – na ulicach, naszych biurkach, czy kieszeniach. Wielkość magazynu połączonego z instalacją fotowoltaiczną można porównać do rozmiaru standardowej lodówki w gospodarstwie mieszkalnym. Producenci przywiązują ogromną wagę do bezawaryjności, bezpieczeństwa i braku szkodliwości oferowanego produktu. W budowie nie wykorzystuje się metali ciężkich, uwzględniając również aspekt recyklingu.
Przez łączenie szeregowo ogniw osiągamy odpowiednie napięcia prądu stałego nawet do tysięcy woltów. W magazynach tworzonych z tego rodzaju ogniw zalecane jest stosowanie wewnętrznego systemu zarządzania energią i kontroli temperatury, który kontroluje napięcia poszczególnych ogniw oraz odpowiednią temperaturę pracy. Dzieje się tak z powodu wysokiej gęstości energii i zagrożenia występowania przeładowań, zupełnych rozładowań oraz problemów termicznych. Dzięki układowi zarządzania efektywnie wykorzystuje się pojemność baterii, a dodatkowo dłużej nam ona posłuży, kiedy ładunki są zbilansowane. W innym wypadku musimy wziąć pod uwagę możliwość głębokiego rozładowania wiążącego się z nieodwracalnym uszkodzeniem akumulatora.
Baterie przepływowe
Najnowszą alternatywą dla przedstawionej, solidnej technologii, która dedykowana jest dla systemów o większym zapotrzebowaniu na moc i pojemność są baterie przepływowe, które charakteryzują się równie wysokimi parametrami, a dłuższą żywotnością. Ich działanie jest nieco bardziej skomplikowane, gdyż elektrodami w tym wypadku paradoksalnie są ciekłe roztwory, zawierające substancje elektroaktywne. Ciecze te są pobierane ze zbiorników i przepompowywane przez reaktor, w którym zachodzą procesy elektrochemiczne przez polimerowe membrany przepuszczające jony. W tym rodzaju magazynu wykorzystuje się bardziej pospolite substancje aktywne, które definiują typ baterii oraz jej dokładne parametry. Charakteryzują się niewiele niższą sprawnością – koło 80%, a napięcie pojedynczej komórki, moc oraz gęstość są nieco niższe. Zyskujemy natomiast na maksymalnej pojemności takiego magazynu, większej możliwości realizowanych cykli i co najważniejsze dłuższych możliwościach magazynowania bez samorozładowania. Dzieje się tak ze względu na wykorzystanie właśnie cieczy, którą oddzielnie przechowujemy i dostarczamy do układu. Możemy ją wymieniać, oczyszczać lub dostarczać w zależności od wielkości potrzeb. Z drugiej strony musimy jednak dbać o dodatkowy układ wchodzący w skład systemu, więc nasze koszty eksploatacji proporcjonalnie wzrosną. Proponowane rozwiązanie, pozwala natomiast obniżyć koszty degradacji baterii. Dodatkowo, według obecnie posiadanych informacji wynika, że ten typ magazynów cechuje się wyjątkowym bezpieczeństwem dla środowiska. Póki co, opisywana technologia jest jeszcze na wczesnym etapie rozwoju, co pozwala wierzyć, że w miarę prowadzonych badań, wynajdywanych rozwiązań osiągi tego rodzaju magazynów elektrochemicznych będą stale rosły, tworząc poważną konkurencję dla dotychczasowych faworytów i wpływając na zmniejszanie się cen.
Okazuje się, że to w tej technologii polscy naukowcy doszukują się krajowych możliwości na akumulacje energii. Dlaczego? Wśród doniesień z środowisk naukowych słyszy się o możliwości wykorzystania surowców wyłącznie wydobytych na terenach Polski, co nie jest możliwe w przypadku innych technologii. Przy produkcji baterii przepływowych nie korzystamy w takim stopniu z metali ziem rzadkich. W tej sytuacji moglibyśmy szukać niezależności w sprawie tworzenia magazynów energii, a przynajmniej stworzylibyśmy konkurencje dla zagranicznych producentów i technologii.
Podsumowanie
Wraz z postępującą transformacją energetyczną Polski oraz Europy, zdolności do magazynowania energii elektrycznej staną się niezbędne do właściwej pracy systemu. O ile w przypadku skali makro, możliwości akumulacji energii jest wiele, to dla prywatnych przedsiębiorstw oraz gospodarstw domowych najbardziej atrakcyjne pozostaną najpewniej magazyny elektrochemiczne. Z tego powodu można założyć, że w przypadku tego typu instalacji, nawet jeżeli nie będzie możliwości budowy dużych, kilkuset megawatowych obiektów, takie formy przechowywania energii niewątpliwie rozwiną się na rynku, wspierając produkcję rozproszoną.
Kacper Jabłoński – SKN Energetyki
O autorze
Studenckie Koło Naukowe Energetyki SGH jest organizacją zrzeszającą osoby, których zainteresowania związane są z szeroko pojętą branżą energetyczną. Koło skupia wokół siebie studentów zarówno Szkoły Głównej Handlowej, jak również Politechniki Warszawskiej i innych Warszawskich uczelni.