Magazyny energii w systemie elektroenergetycznym
Energy storage in the power system
![Uproszczone zobrazowanie przykładów wykorzystania magazynów energii w sieci (na podstawie [2])](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202507/rys3.jpg)
Uproszczone zobrazowanie przykładów wykorzystania magazynów energii w sieci (na podstawie [2])
Magazynowanie energii będzie odgrywać coraz większą rolę w dopasowaniu podaży energii elektrycznej do zapotrzebowania na moc, zapewnieniu właściwej jakości energii elektrycznej i umożliwieniu integracji odnawialnych źródeł energii. Wybór odpowiedniej technologii magazynowania energii zależy od mocy i pojemności magazynu, okresu, w którym energia musi być dostępna dla sieci, czasu magazynowania, kosztów, lokalizacji w sieci, wpływu na środowisko i innych czynników.
W artykule:
|
StreszczenieW artykule przedstawiono różne funkcje, jakie mogą pełnić magazyny energii w systemie elektroenergetycznym. Skupiono się w większości na zadaniach sieciowych i systemowych oraz roli dużych instalacji. |
AbstractThe article presents various functions that energy storage can perform in the power system. The focus is mostly on network and system tasks and the role of large installations. |
W systemie elektroenergetycznym wytwarzana i pobierana moc musi się równoważyć. Jeżeli tak nie jest, to podejmowane są odpowiednie działania w celu zapewnienia równowagi. Istotne znaczenie w krótkoterminowym utrzymaniu równowagi systemu odgrywa energia zgromadzona w wirujących generatorach. Im większa energia wirujących mas, tym większa inercja systemu, co pozwala na łagodniejsze tłumienie drgań i szybsze reakcje na zaburzenia. Jednak wraz ze wzrostem udziału odnawialnych źródeł w systemie, szczególnie generatorów fotowoltaicznych i podłączonych za pomocą urządzeń energoelektronicznych farm wiatrowych, maleje liczba generatorów synchronicznych bezpośrednio podłączonych do sieci. Ich rolę powinny przejąć systemowe magazyny energii elektrycznej, zarówno duże, jak i instalowane lokalnie blisko lub u odbiorcy. Te małe przyczyniłyby się znacząco do zmniejszenia odłączeń instalacji fotowoltaicznych w przypadku zbyt dużej lub szybkozmiennej generacji, która nie może zostać przesłana do sieci. Problem ten występuje szczególnie w sieciach niskich napięć, gdzie zdolności przesyłowe są mocno ograniczone głównie koniecznością zbyt wysokiego podniesienia napięcia. W dużej skali można było przekonać się o powadze problemu w sytuacji braku zapewnienia odpowiedniej rezerwy w systemie podczas blackoutu na Półwyspie Iberyjskim 28 kwietnia 2025 roku, a także na różnych Wyspach Kanaryjskich, ostatnio 10 czerwca 2025 roku na La Palmie. Dokładne przyczyny awarii wciąż są analizowane.
Czytam więcej: BESS – bateryjne systemy magazynowania energii w praktyce biznesowej >>
Magazyny sieciowe
Magazynowanie energii elektrycznej już obecnie wnosi swój, na razie niewielki, wkład w usługi sieciowe, szczególnie w zakresie regulacji krótkoterminowych. Na rysunku 1. przedstawiono wykorzystanie wielkoskalowych magazynów energii na rynku europejskim, a na rysunku 2. – w skali całego świata.
Rys. 1. Przeznaczenie europejskich wielkoskalowych magazynów energii (na podstawie [2])
Rys. 2. Skumulowana moc instalacji magazynujących energię na świecie (na podstawie [2])
Badania pokazują, że w przyszłości w scenariuszach energetycznych z dużą penetracją energii ze źródeł odnawialnych 5-proc. wzrost zainstalowanych akumulatorów może doprowadzić do redukcji kosztów wytwarzania o ok. 1,7% i zmniejszyć okres przeciążenia krytycznych linii przesyłowych o ok. 3%. Przewidywany jest duży wzrost instalacji magazynowych na całym świecie. W Europie szacuje się dwudziestokrotny wzrost pojemności magazynowej w ciągu najbliższych dziesięciu lat do wartości 45 GW/89 GWh zasobów magazynowania sieciowego w 2031 roku.
W nadchodzących latach europejscy operatorzy systemów przesyłowych we współpracy z kluczowymi zainteresowanymi stronami zainicjują projekty badawczo-rozwojowe mające na celu głównie optymalizację integracji międzysektorowej, przygotowanie systemu do głębokiej elektryfikacji, integrację morskiej energetyki wiatrowej na dużą skalę, poprawę działania centrum sterowania i interoperacyjności. Będzie to się wiązało z przyznaniem magazynom energii kluczowej roli w optymalizacji systemów. Polska może odegrać w tym procesie znaczącą rolę.
Zastosowanie magazynów w systemie
W tabeli 1. zestawiono dostępne technologie magazynowania energii, które można wykorzystać w magazynowaniu sieciowym. Elektrownie szczytowo-pompowe są od dawna znanymi i stosowanymi metodami magazynowania energii, i nadal największymi w systemie.
Tab. 1. Dostępne technologie magazynowania energii [1]
Tabela 2. zawiera ilościowe zapotrzebowanie na magazynowanie energii w zależności od przeznaczenia, a tabela 3. – technologie magazynowania energii w zależności od ich zastosowania. Poniżej opisano dokładniej wymienione w tabelach zastosowania, grupując je według funkcjonalności.
Tab. 2. Zapotrzebowanie na magazynowanie energii w zależności od przeznaczenia na podstawie [3]
Tab. 3. Technologie magazynowania energii w zależności od ich zastosowania
Redukcja pików (peak shaving) i wyrównywanie obciążenia. Zapotrzebowanie na energię można przesunąć, aby dopasować ją do podaży lub pomóc w integracji zmiennych zasobów podaży.
Redukcja pików. Najwyższe zapotrzebowanie na energię elektryczną występuje w większości przypadków wieczorem w zimie, ze względu na dużą ilość energii potrzebną do ogrzewania, i w środku dnia latem, ze względu na dużą ilość energii potrzebną do chłodzenia. Operatorzy sieci energetycznych stosują różne taryfy w zależności od popytu na energię. Gdy popyt jest wysoki, cena jest wyższa, a gdy popyt jest niski, cena niższa. Metody zmniejszania zużycia energii elektrycznej w szczytowym momencie zapotrzebowania (peak shaving) można realizować na różne sposoby, np. poprzez:
- wyłączanie urządzeń, które nie są używane i instalowanie urządzeń z regulacją zmniejszającą pobór energii, np. systemów grzewczych z termostatem,
- instalowanie dodatkowych generatorów w celu zwiększenia szczytowego zapotrzebowania na energię,
- użycie magazynów energii w celu pokrycia zużycia w szczytowym momencie zapotrzebowania na energię.
Gdy zapotrzebowanie na energię jest niskie, cena energii jest również niska, a energię można magazynować w bateriach, a gdy zapotrzebowanie na energię jest wysokie, cena energii jest również wysoka, a obciążenie szczytowe można częściowo lub całkowicie pokryć energią z baterii. Jeżeli taryfy będą zmieniały się dynamicznie (w skrajnym przypadku on-line), to jeszcze bardziej widoczna staje się przewaga magazynów energii nad innymi metodami.
Wyrównywanie obciążenia jest co do zasady podobne do redukcji pików. Energia jest magazynowana w bateriach podczas niskiego zapotrzebowania na moc i używana z baterii podczas wysokiego zapotrzebowania na moc. Redukcja pików ma za zadanie wyrównywanie profilu obciążenia tylko podczas szczytowego zapotrzebowania na moc, podczas gdy wyrównywanie obciążenia – wyrównywanie całego profilu obciążenia w ciągu całego dnia. Wyrównywanie obciążenia wykorzystuje energię o niskiej cenie z generacji bazowej w celu pokrycia szczytowego zapotrzebowania na energię o wysokiej cenie. Podobnie jak redukcja pików, wyrównywanie obciążenia może przynieść zysk klientom, ponieważ oznacza wykorzystanie zmagazynowanej energii w okresach wysokich cen i zmniejszenie zależności klientów od rynku energii elektrycznej w okresach szczytowych. Wyrównywanie obciążenia wymaga znacznie większej pojemności baterii niż redukcja pików, ponieważ ograniczanie szczytowe obejmuje zużycie energii w ciągu kilku godzin dziennie, podczas gdy wyrównywanie obciążenia – przez dłuższy czas.
Zmienna podaż i integracja zasobów. Wykorzystanie magazynowania energii do zmiany i optymalizacji produkcji ze zmiennych zasobów podaży (np. wiatru, energii słonecznej).
Odnawialne źródła energii są zmienne, przerywane i nieprzewidywalne (zależne głównie od pogody), więc trudniej je zintegrować z systemem energetycznym, trudniej jest zachować stabilność z powodu zwiększonych wahań mocy. W przypadku fotowoltaiki często zdarza się, że chmury zmniejszają promieniowanie słoneczne, co prowadzi do zmniejszenia generacji. W przypadku energetyki wiatrowej prędkość wiatru jest zmienna, co prowadzi do stałej zmienności generacji z wiatru. Przerywalność i zmienność można skompensować poprzez wdrożenie systemu magazynowania energii w akumulatorach, który jest niezbędny dla fotowoltaiki i energii wiatrowej w systemach niepodłączonych do sieci. W przypadku fotowoltaiki i energii wiatrowej podłączonej do sieci magazynowanie energii elektrycznej w akumulatorach jest korzystne, ponieważ umożliwia integrację większych ilości rozproszonej generacji. Podczas przerw w dostawie prądu spowodowanych zmianami pogody zużycie można pokryć z energii magazynowanej w magazynach, które są rozproszone w systemie energetycznym. Ponieważ ilość rozproszonej generacji stale rośnie, również pojemność zainstalowanych magazynów energii powinna zostać zwiększona.
Wsparcie napięcia i 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. Zarządzanie najczęściej odbywa się automatycznie, z minuty na minutę lub krócej. Drugim mechanizmem ciągłego równoważenia energii elektrycznej 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. Napięcie jest regulowane mocą bierną, a częstotliwość jest regulowana mocą czynną. Zmiany napięcia i częstotliwości w systemach elektroenergetycznych ze zintegrowanymi odnawialnymi źródłami energii są bardziej znaczące i występują częściej, więc istnieje potrzeba zaawansowanych systemów regulacji napięcia i częstotliwości. Napięcie sieciowe powinno być utrzymywane w określonym zakresie wartości, którego przekroczenie może powodować awarie lub uszkodzenia niektórych urządzeń elektrycznych. Jeśli napięcie jest niższe od wartości znamionowej, wymagane jest wstrzyknięcie mocy biernej, a jeśli napięcie jest wyższe od wartości znamionowej, wymagana jest absorpcja mocy biernej. W konwencjonalnych systemach elektroenergetycznych regulacja napięcia odbywa się poprzez statyczną lub synchroniczną kompensację, która wstrzykuje moc bierną do sieci, gdy jest to potrzebne. Istnieje możliwość zainstalowania akumulatora, który może absorbować moc bierną, aby zmniejszyć napięcie, gdy napięcie jest wysokie i wstrzykiwać dodatkową moc bierną, aby zwiększyć napięcie, gdy napięcie jest niskie.
Regulacja częstotliwości. Częstotliwość w sieci powinna być utrzymywana w określonym zakresie wartości i można to osiągnąć poprzez równowagę pomiędzy obciążeniem a generowaną mocą. Gdy moc obciążenia jest wyższa niż moc generowana, częstotliwość maleje i wymagane jest wprowadzenie dodatkowej mocy czynnej do sieci. Gdy moc generowana jest wyższa niż moc obciążenia, częstotliwość rośnie i należy zmniejszyć moc generowaną lub zwiększyć obciążenie. W konwencjonalnych systemach energetycznych regulacja częstotliwości odbywa się poprzez zwiększanie lub zmniejszanie mocy wyjściowej generatora. Istnieje możliwość zainstalowania magazynu baterii, który może absorbować nadmiar mocy z sieci, aby zmniejszyć częstotliwość, gdy jest ona zbyt wysoka i wprowadzać moc do sieci, aby zwiększyć częstotliwość, gdy jest ona zbyt niska. Pozwoliłoby to też na bardziej optymalną pracę generatorów.
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. Gdy operatorzy sieci przewidują zapotrzebowanie na moc na nadchodzący dzień, zdarza się, że rzeczywiste zapotrzebowanie na moc jest mniejsze niż przewidywane zapotrzebowanie na moc, ale także może się zdarzyć, że rzeczywiste zapotrzebowanie na moc jest wyższe niż przewidywane. Istnieje możliwość zainstalowania systemu magazynowania energii, który będzie magazynował nadmiar energii, gdy rzeczywiste zapotrzebowanie na moc jest mniejsze niż przewidywane i pokrywał rzeczywiste zapotrzebowanie na moc, gdy jest wyższe niż przewidywane zapotrzebowanie na moc. Systemy magazynowania energii w bateriach są idealne do tego zastosowania ze względu na szybki czas reakcji. Rezerwa w systemie elektroenergetycznym jest ważna, ponieważ rezerwa wspiera system elektroenergetyczny przed zmniejszeniem obciążenia, gdy zapotrzebowanie na moc jest wysokie. Magazynowanie energii w bateriach jest lepszym rozwiązaniem niż rezerwa wirująca w generatorach synchronicznych, szczególnie wraz ze względnym spadkiem udziału bezpośrednio przyłączonych do sieci generatorów synchronicznych.
Większa pojemność rezerwowa prowadzi do wyższej niezawodności systemu, ale konieczne jest znalezienie optymalnej pojemności rezerwowej, ze względu na wysoką cenę instalacji. Swego czasu wiele badań poświęcono pojazdom elektrycznym podłączonym do stacji ładowania, które w dużej liczbie również mogłyby zapewnić rezerwę w systemie energetycznym.
Podtrzymywanie zasilania. Zasilacze napięcia gwarantowanego (UPS) mają za zadanie zasilać urządzenia elektryczne i elektroniczne stałą mocą podczas przerw w dostawie prądu lub w sytuacjach awaryjnych. UPS-y są zwykle używane w krytycznych zastosowaniach, w których przerwa w zasilaniu głównym, nawet na krótki czas, może mieć poważne, a nawet niebezpieczne konsekwencje, np. w systemach sterowania i monitorowania w podstacjach, elektrowniach i obiektach przemysłowych oraz innych odbiorach o znaczeniu krytycznym, jak np.: sprzęcie medycznym, systemach komputerowych, centrach danych, systemach telekomunikacyjnych, lotniskach, itp.
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.
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.
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.
Na rysunku 3. graficznie zobrazowano przykładowe zastosowania magazynów energii w systemie elektroenergetycznym.
Rys. 3. Uproszczone zobrazowanie przykładów wykorzystania magazynów energii w sieci (na podstawie [2])
Podsumowanie
Zdarzające się coraz częściej nawet rozległe blackouty oraz odłączenia instalacji generujących energię elektryczną ze źródeł odnawialnych pokazują, że wraz ze zwiększaniem udziału instalacji OZE i redukcją konwencjonalnych elektrowni w systemie zmniejsza się elastyczność systemu elektroenergetycznego. Aby temu zapobiec i zwiększyć jego odporność, należy zwiększyć względny udział magazynów energii w stosunku do mocy generowanej w źródłach o przypadkowej i przerywanej generacji, szczególnie fotowoltaicznych i wiatrowych.
Literatura
- C. Christiansen, B. Murray, Energy Storage Study, Australian Renewable Energy Agency, Sydney 2015.
- Clean energy technology observatory, Smart Grids in the European Union, ISSN 1831-9424, 2022.
- IEA, Energy Technology Perspectives, International Energy Agency, Paris, 2014.
