Hybrydowe magazyny energii - na czym polega ta technologia?

Hybrydowy magazyn energii, czyli jaki?

Z założenia pojęciem hybrydowy określa się urządzenia lub inne przedmioty łączące w sobie różne cechy pozwalające poszerzać spektrum funkcji lub zastosowań tych obiektów. W kontekście transformacji energetycznej coraz częściej mówi się na przykład o wzrastającej popularności samochodów hybrydowych, czy hybrydowych instalacji fotowoltaicznych. To właśnie w odniesieniu do tych ostatnich najczęściej pojawia się pojęcie hybrydowych magazynów energii, choć jest to oczywiście w tym przypadku uproszczenie. Czym charakteryzuje się akumulator działający w takim systemie? Świetnym przykładem mogą być tu magazyny energii Victron Energy, które pozwalają użytkownikom dopasować konfiguracje do ich indywidualnej sytuacji i zapotrzebowania energetycznego.

Hybrydowy magazyn energii Victron Energy; Źródło: suntrack.pl

Dlaczego takie akumulatory nazywane są hybrydowymi? Ponieważ dzięki doposażeniu w odpowiednie komponenty oferują funkcjonalność w różnych trybach (instalacja on-grid, off-grid), a przede wszystkim współpracę z instalacją OZE. Zaprezentowane wyżej urządzenie od Victron Energy może obsługiwać zatem jednocześnie dwa źródła zasilania, przyłącze sieci, a nawet agregat prądotwórczy. Magazyn energii w tym modelu składa się z (w uproszczeniu):

• akumulatora wykonanego w technologii litowo-żelazowo-fosforanowej (LiFePO4) gwarantującej wysoką wydajność i długą żywotność;
• jednostki centralnej Quattro II, która umożliwia systemowi współpracę z wieloma źródłami zasilania (instalacja fotowoltaiczna, sieć elektroenergetyczna, agregat prądotwórczy). Urządzenie te oferuje wiele zaawansowanych funkcji pozwalających sterować i monitorować działanie systemu, a także jego całkowicie wyspową pracę;
• regulatora ładowania MPPT najnowszej generacji, który zwiększa wydajność energetyczną instalacji;
• wbudowanego, zaawansowanego systemu BMS współpracującego z inwerterem.

Podobne systemy hybrydowe można oczywiście tworzyć na podzespołach innych producentów, zapewniając sobie jednocześnie wydajne pobieranie energii z wybranych źródeł i jej magazynowanie do wykorzystania w wybranym momencie. Trzeba jednak wiedzieć, że taka interpretacja definicji hybrydowego magazynu energii nie jest jedyną, a ostatnimi czasy coraz częściej mówi się w tym kontekście o systemie łączącym różne technologie magazynowania, dzięki czemu możliwym stanie się pokonanie największego ograniczenia akumulatorów, jakim jest krótkoterminowość przechowywania pozyskanego prądu.

Czas przechowywania energii w akumulatorach - dlaczego jest istotny?

Akumulatory litowo-jonowe, a więc te, które są najbardziej rozpowszechnione wśród domowych i komercyjnych użytkowników magazynów energii, wykorzystują technologię elektrochemiczną. Pozwala ona uzyskać doskonałe parametry w zakresie wydajności, sprawności, żywotności i głębokości rozładowywania ogniw. Jednocześnie przy stosunkowo niewielkich rozmiarach i masie urządzeń, oferują one spore pojemności pozwalające pokryć zapotrzebowania energetyczne nieruchomości, których systemy mają zasilać. Pomimo oczywistych zalet akumulatorów elektrochemicznych, mają one kilka ograniczeń, z których najistotniejszym wydaje się czas przechowywania w nich energii. Kluczowym jest tu zjawisko samorozładowania akumulatora, które polega na stopniowej, samoistnej utracie zgromadzonej w ogniwach energii.

Dlaczego jednak czas przechowywania energii w akumulatorach jest tak ważny? Przemawiają za tym bardziej i mniej oczywiste argumenty. Należą do nich:

• pozyskiwanie energii z OZE uzależnione jest w dużej mierze od warunków atmosferycznych, które determinują wydajność systemu. Zdarzają się zatem sytuacje, w których energia zgromadzona w magazynie energii będzie wykorzystywana na bieżąco, a w innych przypadkach będzie oczekiwać tygodnie, a nawet miesiące na wykorzystanie. Jakiekolwiek straty energetyczne w tym okresie mogą okazać się znaczące;
• magazyny energii nierzadko pełnią funkcję awaryjnego źródła zasilania zarówno w trybie planowanym, jak i doraźnym. Jeżeli w przypadku wystąpienia przerw w dostawie prądu akumulator nie dostarczy zgromadzonego w nim pierwotnie wolumenu energii, zasilenie często strategicznych w funkcjonowaniu gospodarstwa domowego lub firmy systemów może być zagrożone;
• celem zwiększenia poziomu niezależności prywatnych i komercyjnych systemów energetycznych od dostaw prądu z sieci, w branży coraz częściej dyskutuje się o potrzebie opracowania hybrydowych rozwiązań magazynujących i dystrybuujących energię również w okresach zimowych. Czas przechowywania prądu w takich systemach ulega zatem optymalizacji i stanowi branżowy zwrot w kierunku udoskonalenia technologii.

Długoterminowe magazynowanie energii - projekt KOMAG

Tworzenie nowoczesnych koncepcji technologicznych nie zawsze oznacza opracowywanie zupełnie innowacyjnych rozwiązań, których nigdy wcześniej nie stosowano. Niekiedy czerpanie z już funkcjonujących technologii może okazać się kluczem do wdrożenia najlepszych, najbardziej wydajnych i pozbawionych ograniczeń rozwiązań, które zrewolucjonizują dotychczasowy dorobek inżynierów w danej dziedzinie. Jednym z wciąż niewielu przykładów takich technologii w obszarze kumulowania i dystrybucji energii jest koncepcja hybrydowego obiektowego magazynu energii stworzona przez inżynierów z Instytutu Techniki Górniczej KOMAG w Gliwicach.

W jednym z rozdziałów kwartalnika Maszyny górnicze zatytułowanym Hybrydowe obiektowe magazyny energii; Open Access (CC BY-NC 3.0 PL), grupa naukowców z KOMAG przedstawiła założenia łączące aspekty, które definiują funkcjonujące od lat technologie magazynowania energii zarówno w kontekście indywidualnego, jak przemysłowego zastosowania. Inżynierowie z gliwickiego Instytutu wskazali na obecnie stosowane metody magazynowania i dystrybucji energii, z których czerpali w mniejszym lub większym stopniu w procesie tworzenia koncepcji obiektowego hybrydowego magazynu energii. Należą do nich między innymi:

• akumulatorowe magazyny energii - bardzo uniwersalna i przez to popularna metoda gromadzenia energii elektrycznej opierająca się na przemianach elektrochemicznych zachodzących w ogniwach i elektrolicie. Ten ostatni determinuje natomiast rodzaj akumulatora (np. kwasowo-ołowiowy czy litowo-jonowy). Akumulatorowe magazyny energii ze względu na stosunek wymiarów i wagi do pojemności sprawdzają się zarówno w gospodarstwach domowych, jak i obiektach przemysłowych;
• wodorowe magazyny energii - wciąż rozwijająca się, bezemisyjna metoda magazynowania energii opierająca się na trzech elementach konstrukcji: elektrolizera, który produkuje wodór, magazynu gazu oraz ogniwa paliwowego zamieniającego wodór w prąd;
• elektrochemiczne baterie przepływowe - rodzaj akumulatorów działających na zasadzie przemian elektrochemicznych. Charakteryzują się niskimi kosztami produkcji w stosunku do oferowanej mocy, pojemności i możliwości skalowania systemu;
• superkondensatory - głównymi cechami tych urządzeń są duża szybkość ładowania ogniw, wysoka gęstość mocy, niska gęstość energii, a także żywotność sięgająca nawet 20 lat przy 95% sprawności. Superkondensatory dobrze sprawdzają się w hybrydowych układach magazynowania energii;
• wodne elektrownie szczytowo-pompowe - jedna z najstarszych technologii magazynowania energii wymagająca dużych nakładów finansowych na początkowym etapie inwestycji, ale jednocześnie bardzo długim czasem eksploatacji i zdolnością do magazynowania dużych wolumenów energii;
• magazyny wykorzystujące sprzężone powietrze - obiecująca i wciąż rozwijana technologia opierająca się na zasobnikach pneumatycznych. Budowa magazynu wymaga sporych nakładów finansowych, jednak gwarantuje dużą wydajność i żywotność systemu.

Hybrydowy obiektowy magazyn energii - jak działa?

Inżynierowie KOMAG analizując dotychczasowe osiągnięcia w technologii magazynowania energii stwierdzili, że nowoczesne rozwiązania w tym obszarze powinny stanowić hybrydę istniejących metod, wykorzystującą ich możliwości oraz niwelującą ograniczenia. Dodatkowo zależało im na tym, aby nowa koncepcja magazynu energii znalazła zastosowanie zarówno w wolnostojącej zabudowie jednorodzinnej, szeregowej, a także w nieruchomościach przeznaczonych na działalność biurową. Hybrydowy magazyn energii według koncepcji KOMAG ma składać się akumulatorowego magazynu energii oraz jego wodorowej alternatywy. Do zalet takiego rozwiązania należy z pewnością zaliczyć:

• bezemisyjność, łatwość obsługi konserwacji;
• niezawodna współpraca z instalacjami OZE;
• możliwość wykorzystania ciepła odpadowego do ogrzewania i podgrzewania wody.

Schemat blokowy obiektowego magazynu energii; Źródło: komag.eu; “Hybrydowe obiektowe magazyny energii”

Przedstawiony powyżej schemat blokowy hybrydowego obiektowego magazynu energii ukazuje w uproszczony sposób składowe systemu. Należą do nich magazyn bateryjny, magazyn wodorowy, instalacja OZE, odbiorca - użytkownik magazynu energii oraz sieć elektroenergetyczna, która będzie wykorzystywana jeżeli w systemie powstaną nadwyżki energii elektrycznej w niedającym się zmagazynować wolumenie. Inżynierowie z KOMAG dążą jednak do sytuacji, w której system hybrydowego obiektowego magazynu energii będzie mógł działać niezależnie od dostaw z sieci, a dodatkowo gromadzić i dystrybuować energię także w niesprzyjających warunkach atmosferycznych, np. w zimie. Warto w tym miejscu przybliżyć charakterystykę komponentów hybrydowego systemu magazynującego opracowanego przez KOMAG:

• instalacja OZE - w domyśle najczęściej mówi się tu o panelach fotowoltaicznych, jednak nie należy oczywiście wykluczać turbin wiatrowych, które mają ogromny potencjał i przy sprzyjających warunkach oraz w określonych przypadkach mogą okazać się bardziej wydajne. Ważne, a by ocena sytuacji inwestora przebiegała indywidualnie;
• akumulator bateryjny - w systemie pełni rolę krótkoterminowego zasobnika energii, który będzie ją przechowywał przez okres kilku godzin lub dni (do tygodnia). Dzięki temu zniwelowane zostaną ewentualne straty energetyczne. Oczywiście pojemność akumulatora również należy dobierać indywidualnie, zgodnie z zapotrzebowaniem nieruchomości;
• magazyn wodorowy - akumulator długoterminowy przechowujący energię przez kilka tygodni, a nawet miesięcy. Specjalnie zaprojektowany układ wytwarza wodór za pomocą elektrolizera (wodór powstaje z wody i energii elektrycznej pochodzącej z instalacji OZE). Jest to tzw. układ P2G - Power to Gas. Wodór magazynowany jest następnie w formie sprzężonej, a jego powtórna zamiana w energię elektryczną odbywa się za pomocą ogniw paliwowych. Jednym z produktów ubocznych tych przemian jest między innymi energia cieplna, którą można wykorzystać w gospodarstwie domowym lub firmie;
• przyłącze do sieci elektroenergetycznej;
• układ sterowania zarządzający pozyskiwaniem i dystrybucją zmagazynowanej energii.

HYBDUAL - jak działa hybrydowy system magazynowania energii?

Rozwiązaniem problemu długoterminowego przechowywania energii elektrycznej oraz jej efektywnego dystrybuowania zainteresowany jest także sektor militarny, dla którego funkcjonowania odpowiednie zapasy energii są elementem strategicznym. W swoim artykule zatytułowanym Hybrydowy system magazynowania energii podwójnego zastosowania opublikowanym na łamach Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2019 (121), Stanisław Maleczek, Marcin Szczepaniak i Wojciech Malicki z Wojskowego Instytutu Techniki Inżynieryjnej we Wrocławiu (WITI), zaprezentowali własną koncepcję systemu magazynowania energii. System o nazwie HYBDUAL miałby znaleźć zastosowanie zarówno w sektorze wojskowym, jak i cywilnym, a jego główne założenie opiera się na “filozofii klocków”. Użytkownik z pomocą specjalistów sam dostosowywałby poszczególne bloki systemu, jako niezbędne do umieszczenia w instalacji.

Schemat blokowy systemu HYBDUAL; Źródło: Hybrydowy system magazynowania energii podwójnego zastosowania, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2019 (121)

Jak widać na załączonym schemacie blokowym hybrydowego systemu HYBDUAL, bloki magazynujące energię mogą być według potrzeb użytkownika wykonane w różnych technologiach, co pozwoli przy efektywnej współpracy zwiększyć możliwości kumulacji energii. Całość proponowanego przez inżynierów systemu ma natomiast składać się z następujących bloków funkcyjnych (konfiguracja dobierana indywidualnie w zależności od potrzeb):

• blok wytwarzania energii - BWE (opcjonalnie instalacja fotowoltaiczna, turbina wiatrowa, agregat prądotwórczy);
• blok przetwarzania energii - BPE (falownik, regulator ładowania);
• blok magazynowania (gromadzenia) energii - BME (opcjonalnie akumulatory i baterie wykonane w różnych technologiach);
• blok komutacji i sterowania - BK;
• blok transmisji danych - BTD.

Zaprezentowany na schemacie blokowym “gwiaździsty” układ systemu ma za zadanie usprawnienie oraz ułatwienie sterowania i monitorowania zachodzących w nim reakcji. Dodatkowo blok transmisji danych umożliwia zarówno stacjonarne, jak i zdalne zarządzanie nimi, co jest zdecydowanie istotne zarówno w kontekście sektora wojskowego, jak i cywilnego. Twórcy systemu HYBDUAL zaproponowali umieszczenie poszczególnych bloków w standaryzowanych obudowach typu “RACK”.

Czy hybrydowe magazyny energii to przyszłość branży?

Magazynowanie energii jest z pewnością jednym z filarów dalszych etapów transformacji energetycznej. Dzięki tej technologii możliwe jest bowiem uelastycznienie krajowej infrastruktury elektroenergetycznej, zwiększenie poziomu autokonsumpcji energii wytworzonej za pomocą instalacji OZE, maksymalizacja oszczędności wynikających ze współpracy fotowoltaiki i magazynu energii, sprawniejsze zarządzanie i dystrybuowanie zgromadzonej energii, a także działanie na rzecz poprawy aspektów środowiskowych dzięki stopniowemu uniezależnianiu się od dostaw prądu z elektrowni. Argumentów przemawiających za koniecznością popularyzacji magazynowania energii jest oczywiście znacznie więcej. Dość wspomnieć o udziale zasobników w bezpieczeństwo energetycznym państwa.

Magazyny energii mają niestety swoje ograniczenia i celem zainteresowania ich możliwościami większej liczby odbiorców, konieczne będzie stopniowe wprowadzanie usprawnień technologicznych. Jednym z nich z pewnością są hybrydowe magazyny energii, które niezależnie od koncepcji oferują kilka kluczowych korzyści:

• znoszą ograniczenie związane z krótkoterminowością przechowywania energii i umożliwiają jej sezonowe magazynowanie (nawet przez kilka miesięcy);
• łączą różne technologie kumulowania energii, przez co czerpią z zalet każdej z nich, jednocześnie niwelując ich wady;
• pozwalają na jednoczesne korzystanie z różnych źródeł zasilania;
• w przypadku stosowania określonych technologii (wodorowa) działają w służbie bezemisyjności systemu;
• umożliwiają dalsze wykorzystywanie produktów ubocznych reakcji (ciepło powstające podczas przetwarzania wodoru);
• zwiększają u użytkowników poczucie niezależności, a jednocześnie bezpieczeństwa energetycznego w każdym momencie.

Hybrydowe magazyny energii to zdecydowanie przyszłość branży i warto śledzić najnowsze doniesienia w tym obszarze. Badania, akredytacje i rynkowe wdrożenia to oczywiście długotrwałe procesy wymagające wsparcia formalnego i finansowego. Silnie wskazanym byłoby zatem zaangażowanie się państwowych podmiotów w te działania.