Jak działa magazyn energii?

Jak zbudowany jest magazyn energii?

Magazyny energii, jakie znamy obecnie produkowane były na drodze sukcesywnych ulepszeń i optymalizacji w różnych technologiach akumulatorowych. Dość wspomnieć o akumulatorach kwasowo-ołowiowych, które nadal znajdują swoich zwolenników pomimo charakteryzujących je ograniczeń. Najlepszy stosunek pojemności magazynu energii do jego wagi i wymiarów osiągnięto dotychczas na szeroką skalę w akumulatorach litowo-jonowych. Wynika to z wysokiej gęstości energii ogniw zastosowanych w tej technologii. Dodatkowo zapewnia ona możliwość pracy urządzeń w szerokim zakresie temperatur, a także zredukowany współczynnik samorozładowania się, co sprawia, że starty w magazynie energii są stosunkowo niewielkie.

Akumulatory wykonane w technologii litowo-jonowej (np. magazyn energii LiFePO4) składają się z określonej liczby pakietów ogniw, w których elektrolicie przemieszczają się jony litu. Dlaczego akurat litu? Ponieważ pierwiastek ten wykazuje silną reaktywność jako jedna ze składowych katody i tym samym podnosi efektywność reakcji zachodzących w ogniwach akumulatora. Dodatkowo lit jako najlżejszy z metali uzasadnia swoją obecność w bateriach, których rozmiary i waga mają znaczenie. Umieszczone w litowo-jonowym magazynie energii ogniwa składają się zatem z katody wykonanej z tlenku litu i tlenków innych metali (żelazo, mangan, nikiel, kobalt, glin), węglowej, porowatej anody, separatora wykonanego najczęściej z tworzywa sztucznego oraz elektrolitu, którym może być ciecz zawierająca sole litu i mieszaninę organicznych rozpuszczalników lub ciało stałe.

Akumulator litowo-jonowy - schemat budowy; Źródło: ep.com.pl

Sam magazyn energii nie należy konstrukcyjnie do szczególnie skomplikowanych urządzeń. Oprócz pakietów wspomnianych wyżej ogniw akumulatorowych w ilości generującej jego pojemność, magazyn energii posiada zestaw portów i złączy, które pozwalają mu współpracować z fotowoltaiką oraz oddawać energię zasilając domową lub firmową instalację. Zabezpieczenia prądowe i ewentualnie dodatkowy system chłodzenia to kolejne elementy urządzenia, które wraz ze wszystkimi wymienionymi wcześniej podzespołami zamykane są w obudowie chroniącej je przed działaniem czynników zewnętrznych. Wiele magazynów energii posiada dodatkowo zintegrowany moduł z systemem BMS (ang. Battery Management System) zarządzający pracą urządzenia, a niekiedy również falownik hybrydowy do fotowoltaiki.

Magazyn energii - zasada działania

Omawiając, to jak działa magazyn energii należy przejść od skali funkcjonowania samego urządzenia do jego współpracy z systemem energetycznym domu lub firmy. Najlepsze uzasadnienie w kontekście opłacalności magazynów energii ma oczywiście ich połączenie z mikroinstalacją fotowoltaiczną. Wówczas inwestor może uzyskać szybki zwrot z inwestycji, zwiększyć swoją niezależność energetyczną i podnieść poziom autokonsumpcji energii wytworzonej przez instalację PV. To tylko niektóre korzyści z użytkowania magazynu energii, jednak wyjątkowo przemawiające do wyobraźni prosumentów rozważających rozbudowę swojego systemu energetycznego o własne akumulatory. Jak zatem działa magazyn energii w takim systemie? Nie jest to szczególnie skomplikowane, a cały cykl składa się z kilku etapów:

1. Energia elektryczna wyprodukowana przez mikroinstalacje fotowoltaiczną zasila sprzęty i systemu funkcjonujące w ramach gospodarstwa domowego lub na przykład firmy. Nadwyżka energii niewykorzystanej w cyklu bieżącym trafia do magazynu energii, gdzie jest przechowywana w wolumenie, na który pozwala jego pojemność do momentu wystąpienia zapotrzebowania. Dodatkowe nadwyżki mogą zostać przesłane do sieci.

2. Energia elektryczna zgromadzona w magazynie energii przechodzi przez falownik (zamiana prądu stałego w zmienny) i zasila wymagające tego urządzenia. Warto w tym miejscu wspomnieć, że to wieczorami i w nocy często uruchamiana jest na przykład pralka, zmywarka, telewizor czy komputer. To jak długo i ile sprzętów będzie w stanie zasilić magazyn energii zależy od jego mocy i pojemności.

3. Kolejnego dnia fotowoltaika ponownie zasila urządzenia i instalacje, oddając nadwyżki energii do rozładowanego w trakcie nocy magazynu energii. Następnie cały cykl się powtarza.

Magazyn energii - schemat działania; Opracowanie: enerad.pl

Opisany powyżej schemat działania magazynu energii nie jest oczywiście jedynym z możliwych do wykorzystania w pokrywaniu zapotrzebowania na energię elektryczną. Niekiedy zgromadzony w akumulatorach prąd może posłużyć jako awaryjne źródło zasilania w okresach ograniczonej efektywności instalacji PV. Zdarza się także, że w gospodarstwie domowym lub przedsiębiorstwie wystąpią nieprzewidziane okoliczności wymagające doraźnego zasilenia dodatkowych sprzętów czy instalacji. Niektórzy konsumenci wykorzystują także magazyny energii off-grid, które w tego typu systemach (odłączonych od infrastruktury sieciowej) są właściwie niezbędne. W miejscach pozbawionych dostępu do prądu z sieci lub na przykład w podróży doskonale sprawdzą się mobilne magazyny energii, które można porównać do popularnych power banków, ale o zdecydowanie większej mocy i pojemności.

Co wpływa na działanie magazynu energii?

Większość urządzeń elektrycznych osiąga największą efektywność działania przy zapewnieniu im odpowiednich warunków pracy. Nie inaczej jest w przypadku magazynów energii, na których funkcjonowanie, wydajność i żywotność wpływa kilka istotnych czynników:

• Temperatura pracy i przechowywania - w specyfikacjach magazynów energii producenci podają zakresy temperatur pracy i przechowywania tych urządzeń. Zazwyczaj są to zakresy nominalne, jak i optymalne i to tych drugich warto się trzymać dla zapewnienia akumulatorom wydajnego działania;
• Stopień rozładowania - tryb rozładowywania magazynu energii powinien uwzględniać optymalną głębokość rozładowania dla danego urządzenia, która może się wahać realnie od 75% do nawet 99%. Nowoczesne urządzenia posiadają zabezpieczenia przed zbyt głębokim rozładowaniem akumulatora;
• Dostosowanie parametrów do zapotrzebowania - akumulator o zbyt małej pojemności i mocy do zapotrzebowania energetycznego nieruchomości może być nadmiernie eksploatowany. Zbyt duża pojemność z kolei może się okazać niepotrzebną inwestycją. Warto zwrócić uwagę na ten aspekt;
• Obecność systemu BMS - bezpieczeństwo i wydajność działania magazynu energii powinny być na bieżąco monitorowane i kontrolowane przez system BMS. Jego brak może skutkować zbyt późnym wykryciem ewentualnej awarii systemu;
• Tryb pracy akumulatora - na działanie i żywotność magazynu energii będzie miał także wpływ tryb, w jakim jest on użytkowany. Codzienne ładowanie i rozładowywanie zazwyczaj wpływa na szybszą degradację ogniw niż wykorzystywanie magazynu energii na przykład jedynie w sytuacjach awaryjnych.

Jak poprawnie użytkować magazyn energii?

Magazyn energii nie należy do urządzeń o szczególnie skomplikowanej konstrukcji. Jego działanie zatem rzadko wymaga interwencji ze strony użytkowników systemu. Można właściwie stwierdzić, że poza ewentualnym przekierowaniem zgromadzonej w akumulatorze energii, pozostaje on urządzeniem bezobsługowym. Nie oznacza to jednak, że nie istnieją “dobre praktyki”, które pozwolą zapewnić najwyższą wydajność i bezpieczeństwo pracy magazynu energii. Należą do nich między innymi:

• Niedopuszczenie do przegrzewania się magazynu energii - zbyt wysokie temperatury pracy są niebezpieczne dla samego urządzenia jak i jego użytkowników, gdyż mogą doprowadzić nawet do pożaru instalacji;
• Montaż w zamkniętym pomieszczeniu - choć istnieją magazyny energii, które można instalować poza budynkiem, zaleca się aby pracowały one w pomieszczeniach odizolowanych od wpływu warunków atmosferycznych i skrajnych temperatur;
• Instalacja i serwis po stronie specjalistów - prawidłowe działanie magazynu energii może zagwarantować tylko profesjonalna instalacja systemu przez firmę montująca magazyny energii. Serwisowanie urządzenia przez specjalistów zapewni mu wyższą wydajność i dłuższą żywotność;
• Unikanie uszkodzeń w wyniku urazów mechanicznych - narażenie magazynu energii na uderzenia lub upadki może nieodwracalnie uszkodzić cele w akumulatorze, co wpłynie na efektywność działania urządzenia;
• Rozładowywanie magazynu do 80% pojemności - w bieżącym użytkowaniu nie zaleca się całkowitego rozładowywania magazynu energii. Warto zrobić to jednak raz na jakiś czas, aby zaangażować do pracy wszystkie ogniwa składające się na akumulator.

Magazyny energii to stosunkowo proste w obsłudze urządzenia, których działanie opiera się na znanych od lat, aczkolwiek zoptymalizowanych obecnie technologiach. Planując zakup magazynu energii i chcąc zapewnić mu najwyższą efektywność działania, warto wesprzeć się wiedzą i doświadczeniem specjalistów z branży od wyboru urządzenia, poprzez jego instalację, na codziennym użytkowaniu kończąc.