Magazyny energii elektrycznej – rodzaje, perspektywy rozwoju

W ubiegłym roku padł kolejny rekord pod względem zamontowanych systemów fotowoltaicznych w gospodarstwach domowych. Wszystko wskazuje na to, że dynamika wzrostu zacznie słabnąć w najbliższych miesiącach. Spowodowało to wejście w życie nowej ustawy o OZE, która nakłada na prosumentach obowiązek sprzedaży nadwyżek energii po cenach hurtowych. Z drugiej strony, istniejąca infrastruktura energetyczna nie jest dostosowana do tak dużej ilości nadwyżek energii z PV. Można ten problem rozwiązać poprzez magazynowanie energii – po stronie prosumenta oraz po stronie dystrybutora sieci.

Problematyczne magazynowanie energii

Europejski sektor energetyczny dąży obecnie do dekarbonizacji paliw kopalnych i zwiększenie możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii. W Polsce zmiany te wprowadzane są poprzez systematyczne zaostrzanie Warunków Technicznych, jakim powinny odpowiadać budynku i i ch usytuowane – w zakresie izolacji przegród zewnętrznych oraz spełnienia wskaźnika wykorzystania energii pierwotnej EP.

Regulacje prawne wpłynęły zatem na rynek oraz na zainteresowanie budownictwem energooszczędnym, pompami ciepła i systemami fotowoltaicznymi.

Problemu nie było, gdy mikroinstalacji fotowoltaicznych powstawało niewiele. Ale od dwóch lat przybywa ich w Polsce w lawinowym tempie. Na początku 2018 r. było ich tylko 28 tys. Rok później już 54 tys. Na początku 2020 roku już ponad 150 tys., a pod koniec października 2020 r. – ok 400 tys. mikroinstalacji.^[1]

Ten boom był w zeszłym roku napędzany w dużej mierze dotacjami do mikroinstalacji fotowoltaicznych w ramach rządowego programu „Mój Prąd”, a także ulgami podatkowymi na ten cel. Obecnie program dopłat na starych zasadach został wstrzymany a nowelizacja ustawy o OZE wprowadza w tym roku m.in. nowy system rozliczeń dla prosumentów (czyli rozliczenie za wprowadzony do sieci prąd po cenach rynkowych).

Wszystko wskazuje na to – że pogram „Mój Prąd” w wersji 4.0 będzie działać, ale nakłada na beneficjentów programu obowiązek zakupu dodatkowego magazyny energii (!).

Mikroelektrownie fotowoltaiczne przez swe chaotyczne rozlokowanie i niedopasowane do lokalnych możliwości sieci, które są własnością OSD (Operatora Sieci Dystrybucyjnej) – będą prowadzić do jej przeciążenia, czyli do wytwarzania w niej zbyt dużego napięcia. W takiej sytuacji przeciążające sieć instalacje będą wyłączać się same, automatycznie.

Wyjściem z sytuacji z pewnością będzie masowa rozbudowa sieci energetycznej jednokierunkowej na dwukierunkową, aktywną, inteligentną, scyfryzowaną, dostosowaną do nowych warunków. Bo inaczej nie będzie ona dobrze funkcjonować. Można ten problem rozwiązać poprzez magazynowanie energii elektrycznej, ale na razie jest to zbyt drogie, by było opłacalne.

Przyjrzyjmy się bliżej magazynom energii, sprawdźmy jakie mamy obecnie możliwości rynkowe i jakiego typu rodzaju magazyny energii mogą zostać wykorzystane w przyszłości do współpracy z instalacjami fotowoltaicznymi.

Rodzaje magazynów energii

Magazyny energii elektrycznej są obecnie jednymi z najlepszych sposobów na podniesienie poziomu autokonsumpcji z instalacji fotowoltaicznej oraz na pierwszym krokiem do własnej autonomii energetycznej. Rynek magazynów energii jest zróżnicowany i na rynku możemy wyróżnić rożne rodzaje magazynów w zależności od zastosowanego akumulatora. Tu wyróżniamy akumulatory:

• ołowiowo-kwasowe klasyczne,
• ołowiowo-kwasowe żelowe,
• ołowiowo-kwasowe AGM,
• niklowo-kadmowe,
• litowo-jonowe,
• litowo-polimerowe,
• niklowo-metalowo-wodorotlenkowe.

Wśród ww. akumulatorów, to rozwiązania litowo-jonowe posiadają obecnie najwięcej korzyści jeżeli chodzi o funkcjonalność działania w magazynach energii dla fotowoltaiki. Dodatkowym atutem ogniw litowych jest bezpieczeństwo, ponieważ ich wykonanie ogranicza do minimum ryzyko samozapłonu. W poniższym akapicie omawiam szerzej tą kwestię oraz przyglądam się innym, alternatywnym technologiom tj. akumulatory wodorowe czy baterie Carnota.

Akumulatory litowo-jonowe

W opinii producentów systemów fotowoltaicznych, szansą na bilansowanie coraz bardziej niestabilnej sieci energetycznej są ogniwa elektrochemiczne. Należą do nich m.in. akumulatory litowo-jonowe, które magazynują i uwalniają energię elektryczną poprzez odwracalne reakcje chemiczne.

Niewątpliwą zaletą tych baterii jest wysoka sprawność magazynowania energii oraz duża gęstość mocy, która umożliwia coraz powszechniejsze zastosowania w elektromobilności, a także – szybki czas reakcji.

Ogniwa te, pomimo drastycznego spadku ich cen w ostatnich latach, stanowią nadal zbyt wysoką barierę inwestycyjną dla wielu prosumentów. Zakup akumulatorów litowo-jonowych bo obecnych cenach wydłuża okres zwrotu inwestycji, co stawia pod znakiem zapytania opłacalność takiego rozwiązania. Pozytywnym impulsem do rozwoju prosumenckich magazynów energii byłyby z pewnością dopłaty do budowy takich magazynów.

Akumulatory wodorowe

Drugą perspektywą która zdaje się zataczać coraz szersze zainteresowanie są akumulatory wodorowe. Tego typu magazyny wykorzystują nadmiar pobranej energii działając na zasadzie elektrolizy wody. Nadmiar energii słonecznej jest przekształcany w wodór za pomocą elektrolizera i przechowywany do późniejszego wykorzystania w okresie np. niskiego nasłonecznienia.

Sam wodór wymaga przechowywania w wysokim ciśnieniu, według kart katalogowych producentów urządzeń baterii wodorowych, ciśnienie występujące w bateriach wodorowych może wynosić nawet 30 bar. W dodatkowo wodór jest gazem łatwopalnym, Z tego względu uzasadnione są obawy – czy technologia wodorowa znajdzie odpowiednie warunki do tego – by mogła być zastosowana w budownictwie mieszkalnym?

Szacuje się, że wodorowy system magazynowania energii będzie miał dłuższą żywotność niż system litowo-jonowy dzięki temu, że opiera się na gazowym wodorze a nie na chemikaliach. 

Należy mieć na uwadze fakt, że koszt wyprodukowania jednego akumulatora wodorowego trzykrotnie przewyższa koszt produkcji akumulatora konwencjonalnego^[2] – choć zdaje się, że obniżenie tych kosztów jest wyłącznie kwestią czasu.

Baterie Carnota

Baterie Carnota stanowią znacznie bardziej zaawansowaną strukturę w porównaniu do baterii litowo-jonowych. W dodatku znacznie przewyższająca sprawnością konwersję energii elektrycznej na wodór i z powrotem.

Tego typu baterie wykorzystują magazynują energię elektryczną w energię cieplną. Podczas procesu ładowania energia elektryczna jest zamieniana na ciepło i przechowywana w magazynie ciepła. 

W praktyce rozwiązań jest kilka, i choć technicznie mogą się znacznie różnić, to korzystają z tych samych uniwersalnych praw termodynamiki. Podczas procesu rozładowywania zmagazynowane ciepło jest ponownie przekształcane w energię elektryczną.

Nad barierami Carnota pracują wiele ośrodków naukowych i koncerny technologiczne takie jak Google, ABB, MAN czy Siemens.

Baterie Carnota kilka lat temu zostały zaproponowane jako rozwiązanie umożliwiające przekształcenie istniejących elektrowni węglowych w system wytwarzania ciepła bez paliw kopalnych^[3], poprzez zastąpienie kotła węglowego. Można w szerokim stopniu wykorzystać istniejące obiekty w elektrowniach, takie jak systemy wytwarzania energii i systemy przesyłowe.

Elektrownie wodne szczytowo-pompowe

W skali całego rynku energetycznego elektrownie szczytowo-pompowe składają się z dwóch zbiorników wodnych położonych na różnych wysokościach. Energię magazynuje się pompując wodę do górnego zbiornika, a odzyskuje spuszczając ją w dół. Nie jest to nowa technologia, ponieważ w Polsce mamy już 6 takich obiektów o łącznej mocy prawie 1800 MW.^[4]

Jednak dlaczego i nich wspominam w aspekcie magazynowania energii elektrycznej?

Coraz szybciej rozwijająca się branża fotowoltaiczna, może wspomóc budowę kolejnych elektrowni szczytowo-pompowych. Ponieważ nadmiar wyprodukowanej energii elektrycznej może zostać wykorzystywany przez dystrybutora energetycznego do zasilania najbliższej elektrowni wodnej.

W takim rozwiązaniu woda z dolnego zbiornika jest pompowana przez rurociągi do zbiornika górnego. Natomiast w okresie szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną, woda może być spuszczana do zbiornika dolnego, napędzając w ten sposób turbiny. Choć koszty tego typu inwestycji są ogromne, stanowią duży potencjał w rozwoju infrastruktury energetycznej, dając dodatkową przestrzeń magazynową pod oddaną do sieci energię elektryczną.

Zdjęcie główne: https://stock.adobe.com/pl

Źródła:

1. https://www.ure.gov.pl/pl/urzad/informacje-ogolne/aktualnosci/9349,OZE-produkcja-energii-elektrycznej-z-mikroinstalacji-wzrosla-trzykrotnie-wskazuj.html

2. https://newatlas.com/energy/lavo-home-hydrogen-battery-storage/

3. https://www.solarpaces.org/make-carnot-batteries-with-molten-salt-thermal-energy-storage-from-ex-coal-plants/

4. https://pgeeo.pl/Nasze-obiekty/Elektrownie-wodne/Zarnowiec