Sposoby magazynowania energii elektrycznej
Otrzymaj oferty od specjalistów jak HomeControl+ Juliusz Kukulski nawet w kilka minut
Chcę otrzymać ofertę

HomeControl+ Juliusz Kukulski

24

Sposoby magazynowania energii elektrycznej

Autor: Juliusz Kukulski, publikacja: 2020-03-20

Podstawowym obowiązkiem każdego państwa jest zapewnienie obywatelom niezawodności dostaw energii elektrycznej i bezpieczeństwa zasilania W XXI wieku pozyskiwanie energii z wiatru wzrasta rocznie o 20-30%, a ze słońca ok. 40% rocznie. Ważnym powodem zwiększania się udziału OZE w energetyce państw europejskich jest polityka klimatyczna Unii Europejskiej. Głównym jej założeniem jest to, aby do 2030 roku OZE pokrywały co najmniej 27% zapotrzebowania na energię elektryczną (obecnie ok. 15%). Zasoby paliw kopalnianych na naszej planecie są ograniczone, więc zachodzi potrzeba stopniowego wzrostu udziału OZE w wytwarzaniu energii. Szacuje się, że światowe zasoby ropy naftowej skończą się za ok. 35-40 lat, a gazu ziemnego za ok. 60 lat. W Polsce złoża węgla kamiennego wyczerpią się za ok. 50-100 lat.

Zdjęcie nr 1

Wprowadzenie

W dzisiejszych czasach pozyskiwanie energii z odnawialnych źródeł staje się coraz bardziej popularne. Wytwarzanie energii ze Słońca i wiatru przynosi wiele korzyści: nie przyczyniają się do emisji gazów cieplarnianych (np. moduł fotowoltaiczny o mocy 100 W w czasie pełnego okresu swojej eksploatacji zapobiega emisji ponad 2 ton CO2), nie powodują produkcji odpadów, ani żadnych zanieczyszczeń, jak również nie są źródłem hałasu.

Zastąpienie konwencjonalnych źródeł energii odnawialnymi jest problematyczne ze względu na okresowość świecenia słońca i nasilenia wiatru, a także ze względu na ceny urządzeń (wysokie koszty pociąga za sobą np. produkcja wykorzystywanego w ogniwach fotowoltaicznych krzemu wysokiej czystości). Ilość energii wytworzonej przez farmy wiatrowe i fotowoltaiczne, zależy od warunków meteorologicznych, które są zmienne i trudne do przewidzenia. Operator systemu powinien w takiej sytuacji skompensować ubytki mocy z tych źródeł dostawami z innych źródeł. Próba uelastyczniania produkcji energii w zależności od zapotrzebowania, za pomocą konwencjonalnych źródeł powoduje, iż nie pracują one z mocą znamionową, co wywołuje spadek sprawności, a zarazem wzrost kosztów. Poważne problemy pojawiają się także z dotrzymaniem wymaganych parametrów jakości energii uzyskanej np. z elektrowni wiatrowych.

Rozwiązaniem tych problemów jest magazynowanie energii elektrycznej. Zasobniki te sprawiają, że energia wyprodukowana z niestabilnych źródeł może być pobierana w sposób ciągły w okresach niższego zapotrzebowania na moc, a oddawana w okresach zwiększonego zapotrzebowania. Dzięki temu uzyskuje się bardziej stabilne źródło energii, mniej zależne od losowych zmian pogody.

Efektywne zasobniki energii elektrycznej rozwiązałyby trudności związane z produkcją energii dostosowaną do chwilowego zapotrzebowania.

Zdjęcie nr 2

Elektrownie dzięki wyrównaniu obciążeń, mogłyby produkować energię na stałym poziomie. Przyniosłoby to wiele korzyści, np. wzrosłaby sprawność, spadłyby ceny, a także obsługa elektrowni stałaby się dużo łatwiejsza.

Cel magazynowania energii elektrycznej

Zasobniki (magazyny) energii elektrycznej są systemami, umożliwiającymi gromadzenie energii w dowolnej postaci, a następnie w pożądanym momencie przetworzenie zgromadzonej energii i jej dostarczenie (oddanie) w postaci energii elektrycznej o określonych parametrach.

Omawiając temat akumulacji energii, należałoby zacząć od określenia celu stosowania tej technologii. Podstawowe cele stosowania zasobników energii to:

  • efektywne wykorzystanie odnawialnych źródeł energii - łagodzenie niestabilności w zasobach energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych,
  • produktywne zarządzanie systemami produkcji i przesyłu,
  • poprawa jakości energii,
  • zapewnienie bezpieczeństwa i niezawodności dostaw,
  • wyrównywanie obciążeń w systemie elektroenergetycznym, obcinanie wartości szczytowych,
  • zasilanie awaryjne (UPS) – gwarantuje ciągłość zasilania na wypadek chwilowego zaniku napięcia,
  • poprawa efektywności wytwarzania energii,
  • odroczenie konieczności inwestowania w infrastrukturę systemu elektroenergetycznego,
  • zarządzanie rachunkiem odbiorcy – magazynowanie energii może wpłynąć na zmniejszenie rachunków ponoszonych za usługi elektryczne,
  • time shifting – unikanie wysokich cen w godzinach szczytu energetycznego poprzez wykorzystanie zmagazynowanej energii,
  • oszczędność paliwa – maleje konieczność korzystania z paliw stosowanych w elektrowni w razie niedoborów w produkcji,
  • arbitraż – oznacza magazynowanie energii, gdy jest ona tania i sprzedawanie jej, gdy ceny energii wzrastają.
Zdjęcie nr 3 Zdjęcie nr 4

Kierunki zastosowań technologii magazynowania energii

Ustaliwszy cel stosowania magazynów energii, można płynnie przejść do omówienia kierunku ich zastosowań. Wyróżniamy następujące kierunki rozwoju technologii magazynowania:

  • energetyka odnawialna – produkcja energii z OZE będzie i jest rozwijana w celu ochrony środowiska, ograniczania emisji gazów cieplarnianych i powstrzymania postępujących zmian klimatu. Dostawy energii będą zależeć od niestabilnych źródeł – produkcja energii będzie uzależniona od zmiennej i trudnej do przewidzenia pogody, a wszelkie nadwyżki/braki energii będą wymagały zbilansowania. Ze względu na brak związku między podażą energii uzyskiwaną z OZE a realnym zapotrzebowaniem na energię, konieczne jest tu wykorzystywanie technologii magazynów energii,
  • Smart Grids – w inteligentnych sieciach elektroenergetycznych zasobniki energii mogą pełnić funkcję uzupełnienia generacji rozproszonej z OZE,
  • mikrosieci – stosowanie magazynów energii w mikrosieciach zapewnia elastyczność podczas potencjalnych awarii zasilania wywołanych np. klęską żywiołową,
  • inteligentne domy – inteligentny dom wyposażony jest w nowoczesne systemy automatyki budynkowej, a także w technologie zwiększające bezpieczeństwo i komfort mieszkania domowników. Systemy tego typu pozwalają również efektywniej zarządzać energią, więc zastosowanie znajdą tu małe, przydomowe zasobniki energii. W małych instalacjach PV najczęściej stosuje się akumulatory litowo-jonowe lub akumulatory kwasowo-ołowiowe,
  • pojazdy elektryczne – rozwój akumulatorów w autach elektrycznych i hybrydowych, koncepcyjna wizja integracji pojazdów elektrycznych z siecią elektroenergetyczną.

Technologie magazynowania energii elektrycznej

Zdjęcie nr 5

Elektrownie szczytowo-pompowe

Obecnie jedyną technologią magazynowania energii na szeroką skalę są elektrownie szczytowo-pompowe. Początek tej technologii miał miejsce w latach dziewięćdziesiątych XIX wieku. Jest to szczególny rodzaj źródeł energii wykorzystujących wodę. Zadaniem tej elektrowni jest magazynowanie pobranej energii elektrycznej, a następnie w pożądanym momencie oddawanie jej do sieci. Tania, pozaszczytowa energia elektryczna jest wykorzystywana do tłoczenia wody z dolnego do górnego zbiornika. Gdy nadchodzi szczyt energetyczny, woda z górnego zbiornika spuszczana jest do dolnego. Następnie przepływa przez turbinę, która napędzana spadkiem wody generuje moc elektryczną. Zbiornikami wodnymi wykorzystywanymi w tej technologii są zarówno te naturalnie istniejące, jak i sztuczne. Dolny zbiornik może być zlokalizowany pod ziemią w opuszczonych jaskiniach lub nieczynnych kopalniach. Na całkowitą pojemność elektrowni szczytowo-pompowej wpływa różnica w wysokościach dolnego i górnego zbiornika, a także wielkość tychże zbiorników.

Sprawność tej technologii wynosi ok. 70-85%, a czas jej eksploatacji to 30-50 lat. Przez cały okres funkcjonowania nie spada jej pojemność energetyczna. Podstawowym problemem w budowie elektrowni szczytowo-pompowej są bardzo wysokie koszty inwestycyjne (szacowany budżet na taką inwestycję to 150-200 mln €). Trudność stanowi również znalezienie odpowiedniej lokalizacji pod budowę elektrowni. Teren musi mieć odpowiedni kształt i sprzyjające warunki hydrologiczne. Jeśli warunki na to pozwalają, to elektrownia szczytowo-pompowa jest najlepszą technologią umożliwiającą gromadzenie potężnej ilości energii elektrycznej. W planach są projekty mające na celu lepiej zbadać i ulepszyć technologię. Największy obiekt tego typu o mocy 3003 MW znajduje się w Virginii w Bath County.

Zdjęcie nr 6

Kompresyjne zasobniki energii

Alternatywą dla elektrowni szczytowo–pompowych są kompresyjne zasobniki energii, w których medium roboczym zamiast wody jest powietrze, a pracę wykonuje turbina gazowa. Instalacje tego typu wykorzystuje się do współpracy z systemem elektroenergetycznym. W technologii tej zespół sprężarek napełnia zbiornik w porze pozaszczytowej (znajdujący się pod ziemią – wyeksploatowane kopalnie) powietrzem o bardzo wysokim ciśnieniu. W godzinach szczytu energetycznego powietrze zostaje spuszczone ze zbiornika i podgrzane przez spaliny wylotowe z części niskoprężnej turbiny gazowej. Uzyskany strumień powietrza ulega wymieszaniu z paliwem. Po zapłonie mieszanina przepływa przez część niskoprężną konwencjonalnej turbiny gazowej. Finalnie cała energia turbiny przekazana zostaje do generatora. Zasobnik ten umożliwia gromadzenie bardzo dużych ilości energii. Jego sprawność wynosi ok. 85%. Magazyny te są drogie w budowie i obsłudze. Podobnie jak w przypadku podziemnych elektrowni szczytowo-pompowych uzależnione są od znalezienia odpowiedniego zbiornika podziemnego o wymaganej szczelności (np. opuszczone kopalnie lub jaskinie w twardych skałach). Dotychczas technologia kompresyjnych zasobników energii została wdrożona w dwóch elektrowniach szczytowych: Huntorf (Niemcy) – 290 MW oraz McIntosh Alabama (USA) –110 MW.

Zdjęcie nr 7

Kinematyczne zasobniki energii

Są to akumulatory energii kinetycznej. Zasobnikiem energii jest tutaj koło zamachowe. Podczas normalnej pracy zasobnik obciąża sieć celem utrzymania swojej prędkości kątowej. Jeśli wystąpi brak zasilania to energia mechaniczna zmagazynowana w kole zamachowym jest przetwarzana na energię elektryczną. System ten najczęściej składa się z silnika elektrycznego, generatora, przekształtnika oraz koła wirującego. Zasobniki te mają zdolność oddawania dużej mocy w krótkim czasie, więc służą łagodzeniu chwilowego braku zasilania z sieci. Koła zamachowe charakteryzują się wysoką sprawnością przekraczającą 90% oraz długim czasem eksploatacji (ok. 20 lat).

Zdjęcie nr 8

Akumulatory

Najpopularniejszą metodą magazynowania wykorzystywaną w naszych samochodach, domach, biurach są akumulatory. Ich podstawowym zadaniem jest rezerwowe zasilanie odbiorników energii elektrycznej (popularne UPS). W instalacjach fotowoltaicznych akumulator magazynuje energię w okresie nasłonecznienia i oddaje przy zacienieniu paneli fotowoltaicznych. Akumulatory są rodzajem ogniwa galwanicznego – układu, który składa się się z dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie, w którym różnica potencjałów jest rezultatem reakcji chemicznych zachodzących pomiędzy elektrodami i elektrolitem. Przy wykorzystywaniu tego typu magazynów w instalacjach domowych należy pamiętać, że akumulatory magazynują prąd stały. Natomiast praktycznie wszystkie urządzenia domowe działają na prąd przemienny. Niezbędne jest więc zastosowanie dodatkowych układów (np. falownika), które przekształcą prąd z akumulatora. Takie rozwiązanie wywołuje straty energii. Szacuje się, że około 60% energii z akumulatora jest ostatecznie możliwa do zużycia.

Zalety akumulatorów to: duża pojemność, łatwe ładowanie, duży prąd wyładowania, niezanieczyszczanie środowiska, mała zależność od temperatury. Od dobrej jakości zasobnika oczekuje się przynajmniej 5-7 lat pracy. W instalacjach PV głównie stosuje się: akumulatory litowo-jonowe i akumulatory kwasowo-ołowiowe. Występują również akumulatory sodowo-siarkowe (NaS), niklowo-kadmowe (NiCd)) oraz ogniwa przepływowe. Akumulatory litowo-jonowe służą do gromadzenia energii. Ich zaletami są: długa żywotność ogniw oraz duża pojemność w przeliczeniu na kilogram masy. Z roku na rok technologia ta zyskuje coraz większą popularność, a uwzględniając długi możliwy czas użytkowania, także aspekty ekonomiczne zaczynają przemawiać na korzyść technologii litowo-jonowej. Akumulatory kwasowo-ołowiowe – akumulatory bezobsługowe wykonywane są obecnie w dwóch technologiach:

  • AGM – cały elektrolit jest uwięziony w separatorach z włókna szklanego o wielkiej porowatości, znajdujących się między płytami. Akumulatory te wyróżnia wysoka trwałość oraz bardzo dobre parametry użytkowe w zastosowaniach związanych z pracą cykliczną,
  • żelowej – elektrolit jest uwięziony w postaci żelu. Podstawowe zalety akumulatorów bezobsługowych: nie wymagają one stawiania ich w pozycji pionowej, nie trzeba uzupełniać elektrolitu, nie ma wycieków elektrolitu, mają większą odporność na ekstremalne temperatury, uderzenia i wibracje
Zdjęcie nr 9

Dobierając akumulatory do instalacji fotowoltaicznej, należy pamiętać, że akumulatory kwasowo-ołowiowe - czy to wykonane w technologii żelowej, czy AGM - nie lubią głębokiego rozładowania oraz pozostawienia w stanie rozładowania.

Akumulatory w pojazdach elektrycznych – koncepcja Vehicle to grid (V2G)

Zastosowanie akumulatorów w samochodach elektrycznych czy też hybrydowych nie jest nowością. Ciekawym pomysłem jest koncepcja Vehicle to grid (V2G), czyli integracja samochodów elektrycznych z siecią elektroenergetyczną. Polega ona na ładowaniu pojazdu poza godzinami szczytu, gdy energia jest najtańsza, następnie zużywaniu energii zgromadzonej w akumulatorze samochodu na potrzeby gospodarstwa domowego, kiedy obowiązują wyższe ceny, lub nawet odsprzedawanie jej do sieci. Jeżeli koncepcja ta weszłaby w życie to samochody mogłyby pełnić funkcję mobilnych źródeł energii.

Zdjęcie nr 10

Akumulacja w postaci wodoru

Kolejnym sposobem magazynowania energii jest jej gromadzenie w postaci wodoru. Wodór uważany jest za paliwo przyszłości. Konieczne jest znalezienie wydajnej i taniej metody wytwarzania wodoru. Najpopularniejsza i najtańsza metoda to reforming parowy metanu. Kolejną metodą produkcji wodoru jest elektroliza wody, która zachodzi na skutek przyłożonego napięcia do wody. Metodą tą uzyskujemy wodór o czystości ~99,9%.

Aktualnie najpopularniejsze zastosowania wyprodukowanego wodoru to:

  • Ogniwa paliwowe - w odróżnieniu od np. akumulatorów ogniwa paliwowe nie muszą być wcześniej ładowane. Wystarczy doprowadzić do nich paliwo. Wodór, jako paliwo, jest podawany na anodę, tlen – utleniacz – na katodę. Dochodzi do reakcji między wodorem i tlenem Produktem jest woda oraz energia. Ogniwa paliwowe znajdują zastosowanie w statkach kosmicznych, sondach i systemach zasilania awaryjnego, energetyce oraz samochodach na wodór. Poważnym problemem jest sprawność takich ogniw, która wynosi 30-40%.
  • Bezpośrednie użycie gazu, np. jako paliwo dla pojazdów na wodór.
  • Łączenie wodoru z CO2 dla utworzenia syntetycznego CH4 (metan), który może być wykorzystany jako zamiennik dla gazu ziemnego.
Zdjęcie nr 11

Superkondensatory

Superkondensator jest rodzajem kondensatora elektrolitycznego wyróżniającego się bardzo dużą pojemnością osiągającą kilka tysięcy faradów. Składa się on z dwóch elektrod i separatora, które zanurzone są w ciekłym elektrolicie. Zasada działania polega na transporcie jonów wewnątrz elektrolitu na skutek przyłożonego napięcia. Ruch jonów potrzebuje energii, która później jest oddawana. Gromadzi się ona na granicy między stałą elektrodą a ciekłym elektrolitem – tworzy się warstwa podwójna na granicy faz. Jego czas eksploatacji sięga kilkudziesięciu lat (milion cykli pracy). Superkondensatory charakteryzują się: niewielką masą, niewielkimi wymiarami, posiadają ogromną moc, sprawność w granicach 85-95%, mają małą szkodliwość dla środowiska. Superkondesator ładuje się dużo szybciej niż akumulator.

Zdjęcie nr 12 Zdjęcie nr 13

Superkondensator może znaleźć zastosowanie w systemach wykorzystujących OZE jako zasilanie awaryjne lub w sieci elektroenergetycznej w celu poprawy jakości przesyłanej energii. Tego typu zasobniki sprawdzają się w sytuacjach, gdzie wymagane jest wiele cykli działania, np. w hamowaniu odzyskowym w pojazdach, które często ruszają i zatrzymują się, Są alternatywą dla akumulatorów.

Nadprzewodnikowe zasobniki energii

Zdjęcie nr 14

Nadprzewodnikowy zasobnik energii to urządzenie magazynujące energię w polu magnetycznym powstałym przez prąd stały płynący w solenoidzie, który składa się z nadprzewodnika. Po naładowaniu prąd cewki nie zanika i energia w jej polu może być magazynowana przez nieokreślony czas. Przy rozładowaniu cewki zmagazynowana energia jest zwracana do sieci. Prąd w uzwojeniu chłodzony jest ciekłym helem lub azotem. Najważniejszą zaletą nadprzewodnikowych zasobników energii jest krótki czas ładowania i rozładowania. Energia jest dostępna bardzo szybko, a zasobnik oddaje bardzo dużą moc, ale przez krótki czas. Tego typu magazyny wyróżniają się dużą niezawodnością i niskimi stratami mocy, sprawnością rzędu 95% oraz czasem eksploatacji do 30 lat. Nadprzewodnikowe zasobniki energii stosuje się w celu poprawienia stabilności układu elektroenergetycznego oraz poprawy jakości energii.

Przegląd rynków międzynarodowych

Stany Zjednoczone: Mają największy rynek magazynowania energii pod względem liczby projektów, a także zainstalowanej mocy. W 2015 r. zainstalowana pojemność magazynów energii osiągnęła rekordową wartość 221 MW – taka moc jest generowana przez cztery duże farmy wiatrowe. Za gwałtowny wzrost zainstalowanej w zasobnikach mocy odpowiadają duże akumulatorowe magazyny energii. W USA znajduje się również jeden z dwóch istniejących na świecie magazynów energii sprężonego powietrza. Prym wiedzie również międzynarodowy potentat samochodów elektrycznych – Tesla, który na rynek wprowadził linię domowych magazynów energii bazujących na akumulatorach litowo-jonowych.

Chiny: kraj ten zajmuje drugie miejsce w liczbie realizowanych projektów dotyczących składowania energii. Głównie rynek ME przejęły stacjonarne i przenośne magazyny z akumulatorów Li-ion (74%), kwasowo-ołowiowych i baterii przepływowych.

Japonia: Zajmuje drugie miejsce pod względem zainstalowanej pojemności magazynowania. Istnieje tam program dotacji do 66% kosztów dla domów i firm, które są zainteresowane instalacją akumulatorów Li-ion.

Niemcy: W ostatnich latach niemiecki rynek energii przeżywa ogromny wzrost zainteresowania systemami magazynowania energii. Niemcy są obecnie liderem w dziedzinie energetyki odnawialnej. W mixie energetycznym OZE stanowi ok. 30% wszystkich źródeł energii. W 2013 r. pojawił się program niskooprocentowanych pożyczek dla właścicieli instalacji fotowoltaicznych, którzy chcieliby dodać do swojej instalacji akumulator o mocy do 30 kW. Na rynku działa firma Siemens oferująca magazyny oparte o akumulatory Li-ion, które wspierają sieć elektroenergetyczną. W Niemczech znajduje się również pierwszy komercyjny magazyn energii sprężonego powietrza wybudowany w Huntorf.

Polska: W Polsce obecnie jest w eksploatacji sześć elektrowni szczytowo-pompowych, cztery z nich należą do PGE, jedna należy do grupy kapitałowej ENERGA i jedna do Zespołu Elektrowni Wodnych w Niedzicy. Większych jednostek nasz kraj nie posiada. Jednak mamy sporo perspektyw na przyszłość:

  • TAURON planuje przebudowę elektrowni wodnej Opolnica na elektrownię hybrydową – wodno-słoneczną połączoną z systemem magazynowania energii (technologia litowo - jonowa). Moc instalacji fotowoltaicznej to 100 kW.
  • LOTOS w 2015 r ogłosił, że pracuje nad technologią magazynowania wodoru w kawernach solnych. Projekt nosi nazwę HESTOR, celem jest zbadanie efektywności magazynowania wodoru pozyskanego z nadwyżek energii z OZE. Zmagazynowany wodór byłby wykorzystany bezpośrednio w rafinerii LOTOS do celów technologicznych lub energetycznych.

Podsumowanie i wnioski

Magazyny energii elektrycznej całkowicie odmienią współczesną energetykę. Obecnie producenci energii są uzależnieni od chwilowego zapotrzebowania na energię elektryczną, które jest określane przez operatora na podstawie przewidywań. Gdy zasobniki będą powszechnie stosowane, elektrownie będą mogły ustalić swoją produkcję na stałym poziomie, a zainstalowane magazyny energii będą łagodzić krzywą obciążenia dobowego. Przyniesie to ogromnie korzyści zarówno dla odbiorców energii, jak i spółek zajmujących się wytwarzaniem oraz dystrybucją energii elektrycznej. Zwiększy się niezawodność dostaw energii, zmaleją straty przesyłowe, a w stanach awaryjnych zasobniki energii zapewnią bezpieczeństwo zasilania. Największym przełomem będzie uniezależnienie odnawialnych źródeł energii od konwencjonalnych elektrowni, które zastępują ich moc, podczas gdy te nie pracują. W obliczu wyczerpujących się zasobów kopalnianych jest to wyjątkowo ważna kwestia. Mimo wielu rodzajów zasobników energii elektrycznej większość z nich jest zbyt droga lub uwarunkowania techniczne nie pozwalają na dostateczny rozwój, dlatego do powszechnego zastosowania magazynów energii dużych mocy jeszcze długa droga.

Literatura

  1. Marek Iwanicki, Urządzenia dla energetyki, nr 2/2013, Sposoby magazynowania energii elektrycznej.
  2. Maliński Jarosław, Budujemy, budujemy..., nr BzG 1/2013, Ekologicznie = ekonomicznie? Magazynowanie energii.
  3. Krzysztof Hajdrowski, Energia Elektryczna, nr 11/2012, Magazynowanie energii elektrycznej.
  4. Ewa Klugmann-Radziemska, Fotowoltaika w teorii i praktyce.
  5. Bogdan Szymański, Instalacje fotowoltaiczne.

Opracował:
Juliusz Kukulski
HomeControl+ Juliusz Kukulski

Energia odnawialna - gdzie kupić?

Poniżej przedstawiamy ranking 22 957 Sprzedawców Odnawialnych Źródeł Energii najlepszych w 2021 roku w poszczególnych miastach powiatowych:

Więcej poradników o energii odnawialnej