Technologie magazynowania i zastosowanie magazynów energii

Czynniki zwiększające zapotrzebowanie na magazynowanie to przede wszystkim:

• znaczny wzrost udziału energii pochodzącej ze źródeł o zbliżonych do przypadkowych profilach wytwarzania – magazynowanie energii zapewni skuteczne ograniczenie fluktuacji w różnych przedziałach czasowych podaży i popytu;
• konieczność dalszego zwiększenia wydajności energetycznej i ograniczenie emisji CO2 – magazynowanie energii zwiększy wydajność energochłonnych procesów przemysłowych i podniesie elastyczność konwencjonalnych elektrowni;
• poprawa powiązań między różnymi nośnikami energii (np. elektrycznością, ciepłem oraz paliwami gazowymi i płynnymi) – magazynowanie energii stanowi skuteczny sposób na ustanowienie połączeń między różnymi nośnikami energii;
• zmniejszenie zależności od importu paliw kopalnych;
• przyspieszenie zwrotu inwestycji w wytwarzanie energii odnawialnej;
• zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego.

Magazynowanie energii

Zwiększenie magazynowania energii elektrycznej pozwoliłoby na skompensowanie wahań generacji niestabilnej oraz krzywej poboru energii z systemu elektroenergetycznego, ułatwiłoby zapewnienie rezerw mocy czynnej poprzez przeniesienie tej funkcji do magazynów. Dzięki temu mógłby wzrosnąć czas wykorzystania mocy dyspozycyjnej obecnych w systemie dużych źródeł, poprawiając ekonomikę ich pracy, uwalniając bez inwestycji (bezpośrednio w elektrowniach) moce dotychczas niewykorzystane z uwagi na długookresowe wahania krzywej poboru lub moce związane koniecznością zapewnienia rezerwy mocy. Przy odpowiednio dużych możliwościach magazynowania energii można by adaptować do współpracy z systemem kolejne rozproszone źródła niestabilne, lokując bezwzględny przyrost mocy w tym segmencie wytwarzania. Pozwoliłoby to na przesuwanie punktu ciężkości zainstalowanych i osiągalnych mocy wytwórczych ze źródeł wykorzystujących paliwa kopalne w kierunku źródeł odnawialnych, produkujących energię elektryczną przy koszcie zmiennym bliskim zero przy jednoczesnym zachowaniu stabilności systemu.

Specyfika pracy magazynów energii elektrycznej, które pracują na napięciu stałym, ułatwia podłączanie większości odnawialnych źródeł energii (np. fotowoltaiki, ogniw paliwowych) oraz umożliwia regulację napięcia i rozpływ mocy biernej. Aby wymienione możliwości mogły zostać w pełni zaimplementowane i wykorzystane konieczne jest stworzenie sieci inteligentnej, której uruchomienie związane jest z przygotowaniem nie tylko urządzeń, ale również oprogramowania.

Potencjalnie duże zyski spodziewane są przy zastosowaniu wielkoskalowego, długoterminowego magazynowania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, które może być zapewnione przez magazynowanie energii chemicznej lub ciepła. Również odzysk ciepła odpadowego w elektrowniach zawodowych i w procesach przemysłowych stanowi potencjalne źródło oszczędności dużych ilości energii pierwotnych. Magazynowanie energii cieplnej może rozwiązać niedopasowanie temperatury źródła do temperatury wymaganej bez odbioru, odzyskując ciepło odpadowe i magazynując je do późniejszego wykorzystania.

Magazyn energii zdefiniowany jest poprzez następujące kryteria:

• parametry techniczne: moc układu, ilość magazynowanej energii, sprawność pełnego cyklu, powierzchnia zajmowana przez instalację, gęstość energii, okres eksploatacji, sposób przyłączenia do systemu (elektro)energetycznego, poziom niezawodności;
• koszty inwestycyjne i eksploatacyjne (jednostkowe i całkowite);
• stopień zaawansowania technologii;
• wpływ na środowisko;
• możliwość ewentualnej rozbudowy;
• stacjonarne magazyny energii.

Na rysunku 1. przedstawiono zakresy pracy i sprawności najczęściej stosowanych technologii do magazynowania energii elektrycznej. Na rysunku 2. pokazano moce zainstalowane w poszczególnych technologiach magazynów energii na świecie. Rysunek 3. przedstawia zaawansowanie technologiczne poszczególnych metod magazynowania energii.

Ciepło może być magazynowe bezpośrednio poprzez zmianę temperatury wybranej substancji. Najczęściej stosowaną substancją jest woda, jednak w celu zwiększenia gęstości magazynu energii stosowane są substancje wykorzystujące efekt przemiany fazowej i jej temperaturę do magazynowania energii (tzw. materiały zmiennofazowe – PCM). W przypadku zastosowania PCM istnieje możliwość zmagazynowania dużej ilości energii cały czas utrzymując stałą temperaturę magazynu. Zależność magazynowej energii w funkcji temperatury dla wody i materiału PCM przedstawiono na rysunku 4.

Dostępnych jest wiele różnych materiałów PCM, których temperaturę zmiany fazy można dobrać do potrzeb użytkownika. Cykl topienia i krzepnięcia może zachodzić teoretycznie niezliczoną ilość razy bez degradacji. Wynika to z faktu, że nie zachodzi reakcja chemiczna, a jedynie procesy fizyczne. Woda jest najczęstszym PCM (temperatura topnienia 0°C) i nie ulega wątpliwości, że zawsze zamarznie i roztopi się, nawet przez miliony lat.

Przechowywanie energii materiale PCM oferuje szereg korzyści, w tym:

• niższe straty ciepła do otoczenia;
• uwalnianie i magazynowanie ciepła w stałej temperaturze;
• brak wymogu chłodzenia mechanicznego;
• wysoką gęstość energii.

Hydraty soli są związkami soli i wody, ich zaletą jest wysokie utajone ciepło topnienia ze względu na ich wysoką zawartość wody. Wprowadzenie soli do wody może zarówno podnieść, jak i obniżyć punkt zamarzania wody. Pozwala to na tworzenie szeregu PCM, które mają różne zastosowania. Wadą stosowania tych soli jest możliwość segregacji faz podczas ładowania i rozładowywania PCM, cięższa sól osiada na dnie roztworu, a zatem zmienia się pojemność cieplna roztworu. Może to mieć duży wpływ na żywotność magazynu PCM.

Eutektyki to mieszaniny dwóch lub więcej substancji zmieszanych w taki sposób, aby zapewnić pożądaną temperaturę topnienia / krzepnięcia. Mieszanina topi się całkowicie w zaprojektowanej temperaturze i ma niezmienny skład zarówno w fazie ciekłej, jak i stałej.

Na rysunku 5. przedstawiono zakresy przemian fazowych wybranych produkowanych komercyjnie materiałów zmiennofazowych. Istnieje wiele komercyjnych zastosowań materiałów zmiennofazowych w systemach ogrzewania lub chłodzenia różnej wielkości budynków. W dużych instalacjach przoduje Australia, gdzie takie rozwiązania można znaleźć w np. w parlamencie w Canberze, a także Norwegia i Katar [1]. Przykładem zastosowania materiałów PCM do magazynowania energii w domach jednorodzinnych mogą być pilotażowe rozwiązania w Austrii, na Cyprze i w Hiszpanii, w których zainstalowano, opracowany przy współudziale SGGW, system typu TESSe2b [9].

Wśród najczęściej spotykanych technologii magazynowania energii można spotkać te wykorzystujące przekształcenia energii elektrycznej w energię wiązań chemicznych. Dzięki odpowiedniemu doborowi substancji chemicznej można ustanowić międzysektorowe powiązania sektora elektroenergetycznego z sektorem gazowym, paliwowym i chemicznym. Technologie ogólnie nazywane zbiorczo Power-to-X (P2X), mają na celu przekształcenie energii elektrycznej wytwarzanej za pomocą OZE w wodór, z możliwością łączenia go z CO2 w celu syntezy cennych gazów (Power-to-Gas) lub cieczy (Power-to-Liquid), które można następnie wykorzystać jako paliwa lub chemikalia.

Wodór może być wytwarzany w drodze elektrolizy poprzez wykorzystanie energii elektrycznej do podziału wody (H2O) na wodór (H2) i tlen (O2). Wodór może w przyszłości odgrywać kluczową rolę w magazynowaniu energii chemicznej, ma szanse stać się „paliwem przyszłości”, można go przekształcić w energię do zastosowań stacjonarnych (wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła) lub do zastosowań mobilnych (transport), uzyskując jedynie parę wodną jako produkt spalania. Jednak jego niska gęstość wymaga sprężenia zwykle między 200 a 700 barów lub upłynnienia.

Mobilne magazynowanie energii

W przeciwieństwie do stacjonarnego magazynowania energii, magazynowana ilość energii w pojazdach elektrycznych spada z powodu ich mobilności. W większości przypadków możliwe jest jednak pobieranie energii elektrycznej w nocy, po niskich cenach i potencjalne oddawanie jej do sieci w okresie największego zapotrzebowania szczytowego, wymaga to jednak szczegółowych analiz i regulacji prawnych, aby samochody elektryczne stały zbiorem małych mobilnych magazynów energii, a nie tylko pobierały energię z sieci. Jednak nawet pobieranie energii w okresie najniższego zapotrzebowania może korzystnie wpłynąć na stabilność systemu energetycznego wygładzając dobowy profil zużycia energii elektrycznej i umożliwiając bardziej optymalną pracę elektrowni zawodowych, co przełoży się na ograniczenie emisji CO2.

Zastosowanie magazynów energii

Zmiana popytu i redukcja pików. Zapotrzebowanie na energię można przesunąć, aby dopasować ją do podaży i pomóc w integracji zmiennych zasobów podaży. Przesunięcia te są ułatwione poprzez zmianę czasu, w którym mają miejsce pewne czynności, np. podgrzewanie wody, i mogą być bezpośrednio wykorzystane do aktywnego obniżenia szczytowego poziomu zapotrzebowania na energię.

Zmienna podaż i integracja zasobów. Wykorzystanie magazynowania energii do zmiany i optymalizacji produkcji ze zmiennych zasobów podaży (np. wiatru, energii słonecznej), łagodzenie szybkich i sezonowych zmian produkcji oraz wypełnianie luk czasowych i geograficznych.

Zastosowanie magazynowania poza siecią (off-grid). Odbiorcy energii poza siecią często polegają na zasobach kopalnych (np. generatory diesla) lub odnawialnych o zmiennych profilach produkcji w celu zapewnienia ciepła i energii elektrycznej. Aby zapewnić niezawodne dostawy energii poza siecią i wspierać rosnący poziom wykorzystania zasobów lokalnych, w tym energii odnawialnej, magazynowanie energii można wykorzystać do wypełnienia luk między zmiennymi zasobami podaży i popytu.

Trzy wyżej wymienione obszary stanowią obecnie najbardziej rozwiniętą część sektora magazynowania energii szczególnie w zakresie niewielkich inwestycji (np. przydomowe magazyny energii), jednak magazynowanie energii ma też duży potencjał jako:

Sezonowe przechowywanie. Zdolność do magazynowania energii przez kilka dni, tygodni lub miesięcy w celu zrekompensowania długoterminowych zakłóceń w dostawach lub sezonowej zmienności po stronie podaży i popytu w systemie energetycznym (np. magazynowanie ciepła latem do wykorzystania w zimie w podziemnych systemach przechowywania).

Kogeneracja. Magazynowanie energii elektrycznej i cieplnej można wykorzystać w obiektach skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w celu wypełnienia tymczasowych luk między zapotrzebowaniem na energię elektryczną i cieplną.

Transakcje arbitrażowe. Przechowywanie tanio pozyskanej energii w okresach niskiego popytu, a następnie sprzedaż jej po wyższych cenach na tym samym lub innym rynku.

Regulacja częstotliwości. Utrzymanie stałej częstotliwości w sieci jest kluczowe dla bezpieczeństwa energetycznego systemu, następuje to poprzez równoważenie ciągłej zmiany podaży i popytu w obszarze kontrolnym w normalnych warunkach. Zarządzanie najczęściej odbywa się automatycznie, z minuty na minutę (lub krócej). Drugim mechanizmem ciągłego równoważenia energii elektrycznej do pracy w normalnych warunkach, może stać się magazynowanie energii. W tym przypadku magazynowanie energii pozwoliłoby na wydłużenie czasu, w którym wytworzona i zużyta energia musi się zbilansować.

Wsparcie napięcia. Magazyny energii mogłyby generować lub pochłaniać moc bierną w celu utrzymania poziomów napięcia w systemie przesyłowym i rozdzielczym w normalnych warunkach pracy.

Wykorzystanie ciepła odpadowego. Wykorzystanie technologii magazynowania energii do uniezależnienia dostaw ciepła (np. z elektrociepłowni, elektrowni cieplnych) i zapotrzebowania (np. do ogrzewania i chłodzenia budynków, dostarczania przemysłowego ciepła procesowego, wstępnego podgrzania pary technologicznej lub wody w procesie produkcyjnym) w celu wykorzystania wcześniej ciepła, które w innym wypadku uległoby zmarnowaniu dodatkowo podgrzewając otoczenie.

Odciążenie sieci i odroczenie inwestycji w infrastrukturę. Technologie magazynowania energii mogą wspomagać czasowe lub geograficzne przesunięcie podaży, lub popytu na energię w celu zmniejszenia przeciążenia w sieci, lub w celu odroczenia inwestycji w infrastrukturę.

Rezerwa ukryta. Rezerwa mocy w systemie elektroenergetycznym jest wykorzystywana do kompensacji szybkiej, nieoczekiwanej utraty zasobów wytwórczych w celu utrzymania równowagi systemu. Ta rezerwa zdolności jest klasyfikowana według czasu. Krótszy czas reakcji jest generalnie bardziej wartościowy dla systemu i jednocześnie magazynowanie energii może być tu bardziej przydatne i opłacalne.

Rozruch systemu. Rzadko spotykana sytuacja awaryjna, gdy system zasilania przestanie działać, a wszystkie inne mechanizmy pomocnicze zawiodły, możliwości czarnego rozruchu pozwalają na ponowne uruchomienie zasobów zasilania elektrycznego bez poboru prądu z sieci.

Potencjał rozwoju

Magazynowanie energii będzie odgrywało kluczową rolę w zwiększaniu udziału w rynku źródeł zero i niskoemisyjnych, zwiększając istotnie elastyczność sieci na wahania poboru mocy po stronie odbiorcy, eliminując po stronie wytwórcy konieczność podążania za profilem poboru odbiorcy. Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA) szacuje, że ograniczenie globalnego ocieplenia do poniżej 2°C będzie wymagało zwiększenia globalnie zainstalowanej zdolności magazynowania energii ze 140 GW w 2014 r. do 450 GW w 2050 r. [6]. Ten ponad trzykrotny wzrost jest konieczny, ponieważ, jak podkreśla Komisja Europejska, magazynowanie energii może wspierać plany UE dotyczące unii energetycznej, pomagając w zapewnieniu bezpieczeństwa energetycznego, dobrze funkcjonującego rynku wewnętrznego i przyczyniając się do zwiększenia odnawialnych źródeł energii przyłączonych do sieci (on-line).

Na rysunku 6. przedstawiono moc zainstalowana w dużych długookresowych magazynach energii w ostatnich latach, jak widać ostatnio obserwuje się ciągły znaczny przyrost mocy zainstalowanej na świecie. Rysunek 7. przedstawia rozmieszczenie magazynów energii w ujęciu geograficznym. Na rysunku 8. przedstawiono udział krajów Unii Europejskiej w łącznej mocy instalacji magazynowania energii, która wynosi obecnie ok. 145 GW, jak widać w stosunku do swojego potencjału energetycznego Polska nie wykorzystuje możliwości magazynowania energii w stosunku w jakim to powinno następować, co stanowi duży potencjał do rozwoju branży magazynowania energii. Również budowa dużych farm wiatrowych na Bałtyku powinna wpłynąć korzystnie na wzrost rynku magazynowania energii w Polsce.

Na rysunku 9. pokazano realizowane w ostatnim czasie i obecnie duże wspólnotowe europejskie projekty badawcze finansowane z programu Horyzont 2020 dotyczące rozwoju magazynowania energii z podziałem na poszczególne zagadnienia i technologie. Zestawienie to pokazuje, że 23% projektów dotyczy oprogramowania. Widoczne jest też, że większość tych technologii znajdzie miejsce u małych użytkowników, którym będzie potrzebne odpowiednie doradztwo oraz serwis.

Podsumowanie

Dotychczasowy brak możliwości magazynowania dużych ilości energii elektrycznej jest podstawową przyczyną ukształtowania sektora elektroenergetycznego w obecnej, scentralizowanej formie. Z technicznego punktu widzenia zastosowanie magazynów energii elektrycznej zawsze prowadzi do usprawnienia funkcjonowania systemu energetycznego. Realizacja przez Unię Europejską ambitnych polityk klimatycznych i energetycznych, a także globalnych porozumień klimatycznych, drastycznie zwiększy zapotrzebowanie na skuteczne technologie magazynowania energii. Efektywność ekonomiczna i wpływ technologii magazynowania na środowisko naturalne powinny być głównym kryterium stosowalności danej metody magazynowania energii. Rozproszenie wytwarzania energii elektrycznej powinno zwiększyć również odporność systemu na awarie, katastrofy i zamachy terrorystyczne. Konsekwencją zdezaktualizowania się dotychczasowego paradygmatu o niemożliwości magazynowania energii elektrycznej będzie całkowita zmiana charakteru i zakresu pożądanych inwestycji w sektorze energetycznym, w szczególności elektroenergetycznym.

Literatura

1. Christiansen, C., Murray, B., Energy Storage Study, Australian Renewable Energy Agency, Sydney, 2015.
2. Decourt, B., Debarre, R., Electricity storage, Factbook, Schlumberger Business Consulting Energy Institute, Paris, 2013.
3. Diken, A., Innovative uses of Phase Change Materials (PCMs) for renewable heating & cooling, 7th TESSe2b Workshop & B2B Meeting, Warszawa, 2019.
4. European Commission, Energy Storage: Which Market Designs and Regulatory Incentives Are Needed?, http://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/STUD/2015/563469/IPOL_STU(2015)563469_EN.pdf, 2015
5. ETO, Europejski Trybunał Obrachunkowy, EU-Unterstützung für, die Energiespeicherung, Bruksela, 2019.
6. IEA, Technology Roadmap - Energy Storage, International Energy Agency, Paris, 2014.
7. Puchta, M., Dabrowski, T., Technologiebericht 3.3a Energiespeicher (elektrisch und elektro-chemisch) innerhalb des ForschungsprojektsTF_Energiewende, Franuhofer IWES, Kassel, 2018.
8. SBC, Electricity Storage, Leading the Energy, Transition Factbook, SBC Energy Institute, 2013.
9. TESSe2b, Thermal Energy Storage Systems for energy efficient building an integrated solution for residential building energy storage by solar and geothermal resources, D8.5.Trainnings materials, TEISTE, Ateny, 2018

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!