Nowoczesne metody magazynowania energii
Modern methods of energy storage
Bateryjne magazyny energii, fot. Energa Operator
W dzisiejszych czasach efektywne magazynowanie energii jest kluczowym elementem w zrównoważonym zarządzaniu zasobami energetycznymi. Rosnące zapotrzebowanie na energię oraz konieczność przejścia na odnawialne źródła energii wymagają innowacyjnych rozwiązań w zakresie magazynowania energii.
W artykule:
|
StreszczenieObecnie na świecie zauważalny jest dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii elektrycznej. Są to jednak w większości źródła niestabilne mocowo (elektrownie słoneczne i wiatrowe). Dlatego bardzo ważne jest magazynowanie energii, kiedy jest jej nadmiar i oddawanie przy wzroście zapotrzebowania. W artykule przedstawiono przegląd dostępnych obecnie sposobów na magazynowanie energii elektrycznej. AbstractCurrently, the world has seen a rapid development of renewable sources of electricity. However, these are mostly power-unstable sources (solar and wind power plants). Therefore, it is very important to store energy when there is an excess and give it back when demand increases. The article presents an overview of currently available ways to store electricity. |
W artykule omówiono trzy główne kategorie technologii magazynowania energii: mechaniczne, chemiczne oraz elektrochemiczne systemy magazynowania.
Magazyny mechaniczne
Elektrownie szczytowo-pompowe
Jedną z najbardziej rozpowszechnionych metod magazynowania energii mechanicznej są elektrownie szczytowo-pompowe. W tego typu instalacjach woda jest pompowana z niższych zbiorników do wyższych, gdzie energia jest przechowywana w formie energii potencjalnej. W momencie zapotrzebowania na energię woda jest spuszczana w dół, napędzając turbiny generujące prąd. Elektrownie te charakteryzują się wysoką efektywnością i krótkim czasem reakcji. Najczęściej stosowane zbiorniki zawierają wodę słodką, choć coraz częściej stosuje się także wodę morską, co wymaga zaawansowanej technologii do radzenia sobie z korozją i innymi wyzwaniami technicznymi.
Przykładem nowoczesnej elektrowni szczytowo-pompowej jest instalacja w Chile, która wykorzystuje energię z elektrowni fotowoltaicznej do pompowania wody morskiej na wysokość 600 metrów [1]. Elektrownie szczytowo-pompowe są w stanie magazynować ogromne ilości energii, co czyni je kluczowymi elementami systemów energetycznych w wielu krajach na całym świecie.
Dowiedz się, jakie są sposoby magazynowania energii w branży OZE >>
Elektrownia szczytowo-pompowa Porąbka Żar, fot. PGE
Grawitacyjne magazyny energii
Grawitacyjne magazyny energii to kolejna innowacyjna technologia. Polega ona na przemieszczaniu masy na wysokość, a następnie jej opuszczaniu w celu wygenerowania energii. Przykładem zastosowania tej technologii jest firma Energy Cache, która podnosi zbiorniki ze żwirem na dużą wysokość, by następnie je opuszczać, generując energię. Podobną technologię stosuje firma Advanced Rail Energy Storage, która przewozi betonowe bloki na wzniesienia przy użyciu pojazdów szynowych, które następnie zjeżdżają na dół pod wpływem grawitacji [2]. Grawitacyjne magazyny energii oferują szybki czas reakcji i wysoką sprawność, choć ich wdrożenie wiąże się z wysokimi kosztami i specyficznymi wymaganiami terenowymi. Mimo to, dzięki ciągłemu rozwojowi technologii, ich zastosowanie staje się coraz bardziej opłacalne i efektywne.
Magazyny sprężonego powietrza
Technologia sprężonego powietrza przechowuje energię w postaci mechanicznej lub mechaniczno-termicznej. Powietrze jest kompresowane i przechowywane w podziemnych zbiornikach, a następnie wykorzystywane do napędzania turbin podczas rozładowywania. Systemy te dzielą się na diabatyczne i adiabatyczne, różniące się sposobem zarządzania ciepłem generowanym podczas kompresji powietrza. W systemach diabatycznych sprężone powietrze podgrzewa się przed doprowadzeniem do turbiny, podczas gdy w systemach adiabatycznych ciepło wytworzone podczas procesu ładowania magazynowane jest w zasobniku energii cieplnej i wykorzystywane do ogrzewania powietrza podczas rozładowywania. Magazyny sprężonego powietrza oferują różne poziomy efektywności, zazwyczaj mieszczące się w przedziale 42–70%, w zależności od technologii zarządzania ciepłem [3]. Ich zaletą jest możliwość długotrwałego przechowywania energii oraz skalowalność, co czyni je atrakcyjnym rozwiązaniem dla dużych systemów energetycznych.
Koła zamachowe
Koła zamachowe przechowują energię kinetyczną w wirujących masach. Ich zasada działania jest prosta: wirująca masa zwiększa swoją prędkość kątową podczas ładowania i zmniejsza ją podczas rozładowywania. Magazyny w postaci kół zamachowych są wykorzystywane głównie do zapewnienia stabilności sieci oraz zwiększenia elastyczności pracy sieci współpracującej z niestabilnymi źródłami energii, takimi jak elektrownie fotowoltaiczne i wiatrowe. W Kanadzie kilkutonowe koła zamachowe są używane do regulacji częstotliwości w sieci elektroenergetycznej [4]. Mniejsze akumulatory kinetyczne znajdują zastosowanie w pojazdach sportowych, gdzie podczas hamowania energia jest gromadzona w obracającym się akumulatorze, a następnie uwalniana podczas przyspieszania. Koła zamachowe oferują szybki czas reakcji, wysoką sprawność oraz długą żywotność, co czyni je atrakcyjnym rozwiązaniem w różnych aplikacjach energetycznych.
Liquid Air Energy Storage (LAES)
Systemy LAES polegają na skraplaniu powietrza, które jest następnie przechowywane w postaci cieczy kriogenicznej. Gdy zapotrzebowanie na energię wzrasta, ciekłe powietrze jest podnoszone pod ciśnienie za pomocą pompy, co powoduje jego parowanie. Powstały gaz pod ciśnieniem jest ogrzewany i wykorzystywany do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach z turbinami na sprężone powietrze lub w elektrowniach gazowych. Proces skraplania powietrza może być realizowany metodami kaskadowymi, gdzie poszczególne składniki powietrza są oddzielane stopniowo, lub metodami bezpośrednimi, gdzie powietrze jest schładzane do temperatury 77 K. Układy LAES wykazują potencjał do długoterminowego magazynowania energii przy niskich stratach (około 0,05% objętościowych na dobę) oraz zachowaniu krótkiego czasu reakcji (kilka minut). Ciecz kriogeniczna działa nie tylko jako nośnik energii, ale również jako czynnik roboczy, który może zagospodarować znaczne ilości ciepła i chłodu odpadowego z procesów technologicznych w przemyśle [5].
Magazyny chemiczne
Magazynowanie wodoru
Magazynowanie energii w postaci wodoru staje się coraz bardziej popularne. Wyprodukowany przez elektrolizę wodór jest przechowywany w zbiornikach, a w razie potrzeby przesyłany do ogniw paliwowych, gdzie reaguje z tlenem, wytwarzając energię elektryczną i wodę. Jest to szczególnie przydatne rozwiązanie w miejscach poza siecią lub na obszarach trudno dostępnych, ponieważ wodór może być przechowywany przez długi czas i produkowany z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii. Wodór stanowi bezpieczne i wszechstronne źródło energii. Ponieważ ogniwa paliwowe nie spalają paliwa w taki sam sposób jak turbiny gazowe, ich sprawność elektryczna jest wysoka. Trudności związane z tą technologią obejmują wysokie koszty produkcji i magazynowania wodoru, które mogą przewyższać inne technologie magazynowania energii. Ta metoda wymaga również specjalistycznej infrastruktury, takiej jak rurociągi i ogniwa paliwowe, których instalacja i konserwacja mogą być kosztowne [6].
Nowatorskie magazyny chemiczne
Jednym z nowatorskich magazynów chemicznych jest zbudowany w Berlinie magazyn wykorzystujący energię powstającą przy oddzielaniu soli z nanopowłoką od wody. W trakcie ładowania magazynu z mieszaniny soli z wodą odparowuje woda, a temperatura soli osiąga nawet 500°C. Przy rozładowywaniu sól absorbuje wcześniej oddaną wodę, jednocześnie oddając zmagazynowane ciepło. Cykle powtarzają się zależnie od zapotrzebowania na energię i jej nadwyżek. Magazyn może być ładowany zarówno energią elektryczną, jak i ciepłem. Magazyny chemiczne oferują różne możliwości, od magazynowania ciepła do przechowywania energii chemicznej w postaci wodoru. Te technologie są wciąż rozwijane i doskonalone, aby mogły być bardziej efektywne i ekonomiczne.
Magazyny elektrochemiczne
Akumulatory litowo-jonowe
Akumulatory litowo-jonowe są najpowszechniej stosowanymi magazynami elektrochemicznymi – ze względu na ich wysoką gęstość energii i długą żywotność. Są one wykorzystywane w przenośnych urządzeniach elektronicznych i pojazdach elektrycznych. Ich główne zalety to wysoka efektywność energetyczna, niski efekt pamięci oraz możliwość wielokrotnego ładowania i rozładowywania [7]. Jednak akumulatory litowo-jonowe mają także swoje wady. Wysokie koszty produkcji, wynikające z drogich materiałów elektrod oraz surowych warunków montażu ogniw, są jednym z głównych ograniczeń. Ponadto, zagrożenia bezpieczeństwa związane z wysoce toksycznymi i łatwopalnymi elektrolitami organicznymi oraz ograniczone zasoby surowców litowych i kobaltowych w przyrodzie wpływają na ich dostępność i cenę.
Superkondensatory
Superkondensatory oferują wysoką gęstość mocy i szybkie ładowanie, ale ich gęstość energii jest niższa niż w akumulatorach. Mechanizmy ładowania i rozładowania w superkondensatorach zachodzą poprzez adsorpcję i desorpcję kationów lub anionów na powierzchni elektrod, co pozwala na bardzo szybkie reakcje elektrochemiczne [8].
Pseudokondensatory łączą cechy zarówno kondensatorów, jak i baterii, oferując średnie wartości zarówno mocy, jak i gęstości energii. Mechanizm magazynowania energii w pseudokondensatorach opiera się na adsorpcji i desorpcji kationów i anionów na powierzchni materiału aktywnego elektrochemicznie, w połączeniu z płytkimi reakcjami redoks. Dzięki temu osiągane są wysokie poziomy szybko dostępnego zmagazynowanego ładunku, co pozwala na jednoczesne dostarczanie dużej mocy i gęstości energii za pomocą jednego urządzenia [8].
Baterie przepływowe
Baterie przepływowe, w tym baterie redukcyjne, hybrydowe i bezmembranowe, charakteryzują się długą żywotnością i skalowalnością. W bateriach przepływowych energia jest magazynowana w postaci roztworów elektrolitycznych, które krążą przez ogniwa elektrochemiczne, gdzie zachodzą reakcje redoks. Ich główną zaletą jest możliwość swobodnego zwiększania pojemności energetycznej poprzez dodawanie więcej roztworów elektrolitycznych, co pozwala na łatwe skalowanie systemu w zależności od potrzeb. Baterie przepływowe nie wymagają rzadkich materiałów, co czyni je bardziej ekonomicznymi w produkcji i eksploatacji. Wadą baterii przepływowych jest ich niska gęstość energii oraz szybkość ładowania i rozładowywania, co wymaga większych rozmiarów instalacji, aby osiągnąć pożądane parametry wydajnościowe. Pomimo tych ograniczeń, baterie przepływowe są uważane za obiecującą technologię magazynowania energii, zwłaszcza w kontekście dużych instalacji.
Akumulatory cynkowo-powietrzne i cynkowo-jonowe
Akumulatory cynkowo-powietrzne charakteryzują się wysokim poziomem bezpieczeństwa i wysoką gęstością energetyczną, a koszt ich produkcji jest stosunkowo niski. Jednakże pełny potencjał tego typu baterii jest trudny do osiągnięcia ze względu na problemy związane ze stabilnością cynkowej anody i powietrznej katody. Dwutlenek węgla obecny w powietrzu negatywnie wpływa na elektrolit, a cynk jest podatny na niepożądane zmiany struktury, takie jak tworzenie dendrytów, które mogą prowadzić do zwarć.
Wodne akumulatory cynkowo-jonowe są jednym z najbardziej obiecujących rozwiązań w dziedzinie magazynowania energii na dużą skalę. Charakteryzują je niskie koszty produkcji, wysokie bezpieczeństwo oraz duża pojemność energetyczna. Podobnie jak w przypadku baterii litowo-jonowych, akumulatory cynkowo-jonowe mają mechanizm ładowania i rozładowania, gdzie cynk działa jako nośnik w obwodzie, a jony cynku są odwracalnie wyciągane i wkładane do elektrody [9]. Jednakże praktyczne zastosowania akumulatorów cynkowo-jonowych nie są pozbawione wad. Największym wyzwaniem jest szybki spadek pojemności w wyniku degradacji katody podczas wielokrotnych cykli ładowania i rozładowania, a także tworzenie się dendrytów, które mogą prowadzić do korozji anody i innych problemów mechanicznych. Pomimo tych trudności, badania nad akumulatorami cynkowo-jonowymi są intensywnie prowadzone, a nowe rozwiązania technologiczne mogą znacznie poprawić ich wydajność i stabilność.
Podsumowanie
Istnieje wiele metod magazynowania energii elektrycznej, każda z unikalnymi zaletami i wadami. Elektrownie szczytowo-pompowe dominują w dużych systemach ze względu na ich wysoką efektywność i zdolność do magazynowania ogromnych ilości energii. Grawitacyjne magazyny energii, choć mniej rozpowszechnione, oferują szybki czas reakcji i są coraz bardziej opłacalne dzięki postępowi technologicznemu.
Magazyny sprężonego powietrza i koła zamachowe oferują różnorodne możliwości przechowywania energii mechanicznej, z różnymi poziomami efektywności i zastosowaniami. Liquid Air Energy Storage (LAES) stanowi innowacyjne rozwiązanie dla długoterminowego magazynowania energii z niskimi stratami.
Magazyny chemiczne, takie jak wodór, oferują wszechstronność i długotrwałe przechowywanie, ale wymagają kosztownej infrastruktury. Nowatorskie magazyny chemiczne, takie jak systemy separacji soli, są wciąż w fazie rozwoju, ale mają duży potencjał.
Magazyny elektrochemiczne, w tym akumulatory litowo-jonowe, superkondensatory, pseudokondensatory, baterie przepływowe oraz akumulatory cynkowo-jonowe, oferują szeroki wachlarz możliwości dla różnych zastosowań energetycznych. Każda z tych technologii ma swoje unikalne zalety i wyzwania, a rozwój nowych materiałów i technologii może znacząco poprawić ich efektywność i zastosowanie w przyszłości.
W kontekście globalnego przejścia na zrównoważoną energetykę, rozwój i optymalizacja technologii magazynowania energii będą miały kluczowe znaczenie. W miarę jak rosnące zapotrzebowanie na energię i konieczność integracji odnawialnych źródeł energii stają się coraz bardziej palące, innowacyjne rozwiązania w dziedzinie magazynowania energii będą odgrywać kluczową rolę w przyszłych systemach energetycznych.
Literatura
- G.J. May, A. Davidson, B. Monahov, Lead batteries for utility energy storage: A review, J. Energy Storage, vol. 15, pp. 145–157, Feb. 2018, doi: 10.1016/j.est.2017.11.008.
- M. Ghanaatian, S. Lotfifard, Control of flywheel energy storage systems in the presence of uncertainties, IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 10, no. 1, pp. 36–45, Jan. 2019, doi: 10.1109/TSTE.2018.2822281.
- A. Etxeberria, I. Vechiu, H. Camblong, J.M. Vinassa, H. Camblong, Hybrid energy storage systems for renewable energy sources integration in microgrids: A review, in Proc. Conf. (IPEC), Oct. 2010, pp. 532–537.
- E. Chemali, M. Preindl, P. Malysz, A. Emadi, Electrochemical and electrostatic energy storage and management systems for electric drive vehicles: State-of-the-art review and future trends, IEEE J. Emerg. Sel. Topics Power Electron., vol. 4, no. 3, pp. 1117–1134, Sep. 2016, doi: 10.1109/JESTPE.2016.2566583.
- P. Taylor, R. Bolton, D. Stone, X. Zhang, Ch. Martin, P. Upham, 2012. Pathways for Energy Storage in the UK. Centre for Low Carbon Futures, s. 21. The World, June 24th 1900, New York.
- D. Rekioua, Energy Storage Systems for Photovoltaic and Wind Systems: A Review. Energies 2023, 16, 3893.
- F.X. Wu, J. Maier, Y. Yu, Guidelines and trends for next-generation rechargeable lithium and lithium-ion batteries, Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 1569–1614.
- J. Xie, P. Yang, Y. Wang, T. Qi, Y. Lei, C.M. Li, Puzzles and Confusions in Supercapacitor and Battery: Theory and Solutions, J. Power Sources 2018, 401, 213–223.
- D. Chen, M.J. Lu, D. Cai, H. Yang, W. Han, Recent advances in energy storage mechanism of aqueous zinc-ion batteries, J. Energy Chem, 2021, 54, 712–726.
