Magazyn energii – jak długo i ile energii może przechować?

Technologie magazynowania energii – czym się różnią?

Magazynowanie energii nie jest bynajmniej zagadnieniem nowym. Od lat naukowcy i inżynierowie pracują nad rozwijaniem metod magazynowania prądu opierających się na bardzo zróżnicowanych technologiach. Większość z tych rozwiązań odnosi się do przemysłowej skali magazynowania energii i nastawionych jest na optymalizację pracy dużych elektrowni OZE. Wynika to przede wszystkim z faktu uzależnienia wydajności odnawialnych źródeł energii od warunków atmosferycznych i w konsekwencji braku możliwości realnego kontrolowania ich efektywności. Magazynowanie nadwyżek prądu uzyskanych w “zielonych” instalacjach, pozwala zarówno w odniesieniu do przemysłowej, jak również prywatnej produkcji energii optymalizować jej zużycie oraz zapewnić ciągłość dostaw prądu w okresach ograniczonego funkcjonowania instalacji.

Najważniejsze parametry magazynów energii

Bez względu na to, jaki system magazynowania wybierze firma, czy też prywatny użytkownik, istnieje wiele parametrów, którymi urządzenia, czy instalacje będą się od siebie różnić. Warto poznać choćby podstawowy zakres tych zmiennych, aby móc wybrać najlepszy, a więc najbardziej wydajny i opłacalny system magazynowania energii dla gospodarstwa domowego lub przedsiębiorstwa. W specyfikacji urządzeń bądź instalacji mających za zadanie kumulowanie i przechowywanie wytworzonej z OZE energii kluczowe są między innymi takie parametry, jak:

• sprawność magazynowania energii – wartość ta określa w uproszczeniu, jakie straty energetyczne generuje magazyn energii w wyniku samego jego funkcjonowania. Sprawność wyrażana jest procentowo i oznacza stosunek energii wprowadzonej do magazynu do energii przez niego oddanej, celem zasilania np. sprzętów domowych w trakcie jednego pełnego cyklu ładowania;
• żywotność urządzenia – parametr ten oznacza czas, w którym użytkownik może korzystać z magazynu energii bez znacznej utraty przez niego właściwości. Żywotność często wyraża się w latach bądź w ilości cykli ładowania i wpływa ona bezpośrednio na opłacalność inwestycji w magazyn energii. Najczęściej problem ten dotyczy magazynów opartych na technologii elektrochemicznej;
• gęstość energii i mocy – celem odpowiedniego dopasowania technologii magazynowania energii do zapotrzebowania energetycznego inwestora konieczne jest uwzględnienie maksymalnej dostępnej energii i mocy na jednostkę masy lub objętości magazynu. Kluczowe do optymalizacji są tu oczywiście wymiary i waga urządzenia;
• zabezpieczenia i monitoring – niezwykle ważnym w czerpaniu korzyści z użytkowania magazynów energii jest bezpieczeństwo, jakie urządzenie jest w stanie zagwarantować. Chodzi tu na przykład o zabezpieczenia przed przegrzewaniem się, a także o możliwość monitorowania poszczególnych parametrów systemu. Technologie magazynowania różnią się pod względem dostępności takich funkcjonalności;
• koszty inwestycji – całkowita cena magazynu energii uzależniona jest między innymi od dodatkowych komponentów, czy elementów wyposażenia systemu. Oznacza to, że opłacalność wybranej technologii będzie mogła zostać osiągnięta tylko w przypadku instalacji o określonej pojemności i mocy.

Technologie magazynowania energii

Technologie magazynowania energii; opracowanie: Enerad.pl na podstawie H. Wojciechowski, Technologie magazynowania energii

Jak długo można przechowywać prąd w magazynie energii?

Najpopularniejszym obecnie systemem magazynowania energii zarówno w przypadku gospodarstw domowych, jak i przedsiębiorstw, są akumulatory, a więc urządzenia wykorzystujące technologię elektrochemiczną. Ich funkcjonowanie polega na magazynowaniu energii w ogniwach za pomocą wiązań elektrochemicznych. Decydując się na ten typ systemu, inwestor musi jednak zdawać sobie sprawę z tego, że oprócz całego szeregu zalet, akumulatorowe magazyny energii posiadają także pewne ograniczenia. Należy do nich przede wszystkim czas, w którym urządzenie jest w stanie przechować zgromadzoną uprzednio energię. Z jednej strony kluczowe jest tu zjawisko samorozładowywania się akumulatora, z drugiej zaś stopień jego degradacji w przypadku długotrwałego zaniechania jego pracy.

Powyższe dane wskazują, że w zależności od warunków panujących w miejscu instalacji, magazyn energii w ciągu pół roku może utracić około 20% skumulowanej w nim energii. Informacja ta jest kluczowa dla inwestorów, którzy chcieliby przechowywać energię zgromadzoną w miesiącach wysokiej wydajności instalacji OZE i wykorzystać ją w okresie ograniczonych uzysków energetycznych z systemu. Akumulatory są zatem świetnym rozwiązaniem w kontekście magazynowania energii, ale jak na razie przede wszystkim w jego krótkoterminowym wymiarze. Oznacza to, że największe korzyści z połączenia na przykład fotowoltaiki z magazynem energii uzyskuje się ładując akumulator w trakcie dnia i zużywając zgromadzony przez niego prąd w trakcie nocy.

Na to, jak długo magazyn energii jest w stanie przechowywać określony wolumen energii wpływają:

• technologia wykonania systemu magazynowania energii;
• warunki atmosferyczne, w jakich pracuje magazyn;
• długość i częstotliwość okresów, w których magazyn pozostaje rozładowany;
• wiek magazynu;
• sposób użytkowania akumulatora (długość cykli ładowania i rozładowywania oraz to czy współpracuje z regulatorem ładowania).

Pojemność magazynu energii – co określa ten parametr?

Z zagadnieniem czasu, w którym magazyn energii jest w stanie kumulować prąd, ściśle związany jest inny parametr – pojemność akumulatora. Odpowiednio dobrana do instalacji i zapotrzebowania energetycznego nieruchomości pojemność, determinuje fakt, czy nawet w przypadku częściowej utraty energii w magazynie, pozostała jej ilość będzie w stanie zaspokoić potrzeby domowników czy pracowników na prąd. O tym, jak wybrać magazyn energii dla domu decyduje choćby kształt planów na wykorzystanie urządzenia, a więc tego czy będzie ono pracowało w trybie buforowym (awaryjnym), czy też cyklicznym. W tym kontekście pojemność, jaką będzie dysponował magazyn energii, jest właściwie kluczowa. Co tak naprawdę określa jednak ten parametr, inaczej zwany mocą pojemnościową akumulatora?

Celem zobrazowania tego, jak pojemność magazynu energii wpływa na jego możliwości w zakresie gromadzenia prądu, a także czasu, w jakim będzie on w stanie zaopatrywać w niego gospodarstwo domowe, warto posłużyć się przykładem.

Zakładając, że w wybranym gospodarstwie domowym funkcjonuje instalacja fotowoltaiczna o mocy 10 kWp i jest ona w stanie wyprodukować w ciągu dnia o przeciętnym nasłonecznieniu około 50 kWh prądu, to jakie nadwyżki w wyrażeniu procentowym może zgromadzić magazyn energii o określonych w tabeli pojemnościach? Przy założeniu dziennej autokonsumpcji na poziomie 18 kWh, szacunki będą się przedstawiały następująco:

Pojemność magazynu energii a procent zgromadzonej nadwyżki energetycznej

Opracowanie: Enerad.pl

Trzeba zaznaczyć, że powyższe dane są całkowicie orientacyjne, a ich rzeczywiste wartości zależałyby od wielu czynników. Należy do nich przede wszystkim sposób gospodarowania energią w gospodarstwie domowym, a więc godziny wzmożonej konsumpcji oraz to, czy utrzymuje się ona na względnie stabilnym poziomie. Z przedstawionych wyliczeń wyraźnie wynika, że przy założonych danych magazyn energii o pojemności 15 kWh będzie w stanie zaopatrywać gospodarstwo domowe w prąd przez niemal dobę w przypadku zupełnego braku dostaw z sieci. Warto jednak zwrócić uwagę na jeszcze jeden aspekt uwidoczniony w tabeli. Magazyn o największej pojemności jest w stanie przechować jedynie niecałe 50% nadwyżek energii wytworzonych w instalacji OZE w ciągu doby. Czy zatem podłączenie systemu zaopatrzonego w magazyn energii do sieci elektroenergetycznej jest konieczne?

Czy magazyn energii musi być podłączony do sieci?

Jednym z poważnych problemów prosumenckiej fotowoltaiki w Polsce, jest nagminne przeskalowywanie instalacji przez inwestorów, a właściwie specjalistów projektujących dla nich te systemy. Na wskazanym powyżej przykładzie sytuacja doskonale obrazuje konsekwencje tego zjawiska. Zbyt duża moc instalacji fotowoltaicznej w stosunku do zapotrzebowania energetycznego gospodarstwa domowego skutkuje koniecznością oddawania bardzo dużego wolumenu energii do sieci. Tak jak w obowiązującym do niedawna systemie opustów mogło to być względnie opłacalne, tak po wprowadzaniu zmian w rozliczaniu prosumentów, już niekoniecznie. Czy w związku z powyższym system, w którym funkcjonuje magazyn energii powinien być przyłączony do sieci i działać w trybie instalacji on-grid? Niekoniecznie, ale warto, aby tak było.

Inwestycja w magazyn energii od czasu wprowadzenia dofinansowań do magazynów energii, wreszcie może się znaleźć w finansowym zasięgiu wielu prosumentów. Jak widać z przytoczonego wyżej przykładu, najbardziej opłacalnym urządzeniem, szczególnie w przypadku instalacji od dużej mocy (abstrahując od jej przeskalowania) jest magazyn o największej pojemności. Wówczas do sieci trafia najmniejszy procent nadwyżek energetycznych. Niestety, im większą pojemność oferuje akumulator, tym wyższą cenę trzeba za niego zapłacić. Przy obecnym systemie rozliczania prosumentów opłaca się zatem podłączenie instalacji wraz z magazynem energii do sieci, tak aby móc do niej oddawać nadprodukcję energii, a dodatkowo korzystać z niej, kiedy akumulator zostanie rozładowany.

Sposoby na długoterminowe magazynowanie energii

Ostatnie lata to ogromny wzrost energii produkowanej przez instalacje OZE, zarówno te przydomowe, jak również wielkoskalowe. Światowe dążenia do transformacji energetycznej i zdecydowanego zwiększenia udziału energii z odnawialnych źródeł w ogólnej produkcji prowadzą natomiast do sytuacji, w której wzrasta zapotrzebowanie na długoterminowe magazynowanie dużych ilości energii. Choć magazyny oparte o technologię elektrochemiczną stanowią bardzo popularne rozwiązanie, szczególnie w państwach zachodnioeuropejskich, to w przypadku konieczności kumulacji większej ilości energii w dłuższej perspektywie czasu, mogą się okazać wkrótce nie do końca opłacalne. Celem usprawnienia sektora magazynowania energii sukcesywnie pojawiają się postulaty w kwestii rozwoju technologii alternatywnych. Należą do nich między innymi:

• zamiana energii z OZE w wodór – jedną z technologii sezonowego magazynowania nadwyżek energetycznych może być zamiana energii elektrycznej w wodór i metan. Uzyskane w ten sposób związki mogą służyć na przykład do zasilania pojazdów wodorowych lub według zapotrzebowania zostać użyte w sieciach gazowych generujących energię cieplną, lub elektryczną. Zwolennikiem takiej technologii jest między innymi dr Gunter Ebert z instytutu Fraunhofera we Freiburgu;
• magazynowanie energii w sprężonym powietrzu – CAES (Compressed Air Energy Storage) polega na przechowywaniu energii w postaci sprężonego powietrza zamkniętego w podziemnych zbiornikach. Uwolnienie gazu z zasobników w okresach większego zapotrzebowania powoduje napędzenie turbiny wytwarzającej energię elektryczną. Pierwsze takie elektrownie powstały już w Niemczech i Stanach Zjednoczonych;
• elektrownie szczytowo-pompowe – stanowią alternatywę dla magazynowania energii w sprężonym powietrzu, a ich konstrukcja polega na współpracujących ze sobą dwóch zbiornikach wodnych. W okresach niewielkiego zapotrzebowania na prąd woda z dolnego zbiornika jest pompowana do zbiornika górnego. Kiedy zapotrzebowanie energetyczne rośnie, woda z górnego zbiornika spuszczana jest do dolnego i po drodze napędza turbiny inicjujące produkcję energii. Elektrownie szczytowo pompowe są doskonałym rozwiązaniem w kontekście długoterminowego przechowywania znacznych ilości energii (za globeenergia.pl);
• akumulatory żelazowo-przepływowe – eksperci w dziedzinie akumulatorów twierdzą, że doskonałą alternatywą dla wciąż drogich akumulatorów litowo-jonowych, które dodatkowo nie są w stanie przechowywać energii przez długi czas, są akumulatory żelazowo-przepływowe. Składają się one z dwóch elektrod, elektrolitu oraz separatora i wykorzystują tzw. “chemię przepływu żelaza”. Ich produkcja jest znacznie tańsza od produkcji baterii litowo-jonowych, jednak ograniczeniem jest tu rozmiar urządzeń, które obecnie sprzedawane są w kontenerach transportowych;
• hybrydowe magazyny energii – podczas konferencji naukowo-technicznej KOMTECH, która odbyła się kilka tygodni temu w Szczyrku, przedstawiciele Instytutu KOMAG zaprezentowali koncepcję hybrydowych magazynów energii. Polega ona na połączeniu i współpracy magazynu krótkoterminowego w postaci superkondensatorów, baterii litowych przechowujących energię w wymiarze średnioterminowym oraz magazynów długoterminowych opartych na technologiach wodorowych. Takie połączenie, jak przekonują inżynierowie może zapewnić prosumentom całkowitą samowystarczalność energetyczną, uniezależnienie się od podwyżek cen prądu, a także wpłynąć stabilizująco na krajowe sieci elektroenergetyczne (za PAP Media Room).

Optymalizacja systemów magazynowania energii – prognozy

Wskazane wyżej alternatywne technologie działające na korzyść długoterminowego magazynowania energii dotyczą w większości wielkoskalowych instalacji. Trzeba jednak przypuszczać, że już wkrótce również prosumenckie instalacje magazynujące będą czerpać z tych rozwiązań. Rozwój sektora energetycznego opierającego się na odnawialnych źródłach energii sprawia, że indywidualni użytkownicy również będą poszukiwać coraz bardziej wydajnych technologii magazynowania prądu, które zagwarantują długoterminowość jego przechowywania. Ciekawym kierunkiem z pewnością będą magazyny hybrydowe, które przez połączenie 3 modułów magazynujących postawią domowe zarządzanie energią z OZE w idealnym wręcz położeniu.

W Polsce obserwujemy natomiast pierwsze etapy rozwoji rynku magazynów energii wykorzystujących technologię elektrochemiczną, a więc tę o średnioterminowym wymiarze przechowywania energii. Wdrożone w pierwszym kwartale 2022 roku dofinansowania w ramach programu Mój Prąd 5.0 stwarzają okazję do rozwoju rynku, a tym samym do powstania podatnego gruntu dla opracowywania technologii optymalizujących działanie magazynów energii.