W dyskursie energetycznym coraz donośniej wybrzmiewa głos, że magazynowanie energii elektrycznej stanowi klucz dla dalszego rozwoju sektora OZE, a także dla zapewnienia stabilizacji sieci, w której będzie pojawiać się coraz więcej energii ze źródeł odnawialnych. Również w polityce unijnej magazyny energii postrzegane są jako kluczowa technologia wspomagająca gospodarkę niskoemisyjną, a co za tym idzie, przeznaczane są znaczące środki na projekty badawcze i rozwojowe w zakresie przechowywania energii.
Magazyny energii odmieniane są ostatnio przez wszystkie przypadki. W dzisiejszym tekście przyjrzę się nieco samej technologii magazynowania energii, ale przede wszystkim skupię się na korzyściach oferowanych przez małe magazyny, które coraz częściej towarzyszą ofertom na mikroinstalacje fotowoltaiczne.
Jak działają magazyny energii?
Wyprodukowaną przez fotowoltaikę energię elektryczną można przechowywać na wiele sposobów. Niektóre z nich nadają się do małych instalacji, inne mają sens jedynie w przypadku dużej produkcji. Najpopularniejszym z tych sposobów jest zamiana na energię elektrochemiczną. To właśnie na tej zasadzie działają popularne obecnie akumulatory kwasowo-ołowiowe, niklowo-kadmowe (NiCd), niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH) i litowo-jonowe.
Sposób ich działania jest dość prosty – instalacja fotowoltaiczna wytwarza energię elektryczną przesyłaną do akumulatorów (rzadziej baterii), które zachowują ją pod postacią substancji chemicznej. Po jej przekształceniu ponownie staje się ona energią elektryczną, z której można korzystać. Akumulatory magazynują prąd stały pod napięciem, np. 12 V. W celu wykorzystania energii zgromadzonej w akumulatorach konieczne jest podłączenie do urządzeń elektronicznych, które zamieniają prąd stały na zmienny, czyli zastosowania inwerterów.
Czy magazyn energii się opłaca?
Aby w pełni odpowiedzieć na to pytanie, musimy przeanalizować różne cele, do których magazyny energii są wykorzystywane, czyli odpowiedzieć sobie na pytanie, czy głównie będzie to:
- magazynowanie energii z instalacji PV w celu autokonsumpcji. To podstawowy i najbardziej opłacalny sposób użytkowania energii z fotowoltaiki. Zamiast sprzedawać energię słoneczną, wykorzystuje się ją w jak największym stopniu. Zyskiem jest tu różnica pomiędzy ceną kupna energii z sieci (koszt energii czynnej + opłaty dystrybucyjne) i ceną sprzedaży energii z PV,
- magazynowanie energii z fotowoltaiki w celu sprzedaży wieczorem. Opcja będzie dostępna
od lipca 2024 roku. Niektóre magazyny energii mogą wieczorem sprzedać energię do sieci, gdy jest bardzo droga. Szczególnie korzystne rozwiązanie dla firm, które nie potrzebują dużych ilości energii wieczorami, gdy energia jest najdroższa i dysponują nadwyżkami z dziennej produkcji PV. Zysk uzyskujemy dzięki różnicy ceny energii wieczorem, a ceną energii w dzień,
- magazynowanie energii z taniej taryfy w celu autokonsumpcji. Opcjonalnie można wykorzystać magazyny w celu naładowania ich energią kupioną po niskich cenach i wykorzystanie jej w godzinach, gdy jest droższa. Zyskiem ponownie jest różnica ceny energii w zależności od pory dnia,
- udostępnianie części swojego magazynu agregatorom. Spółki obrotu energią płacą za możliwość dysponowania częścią energii z Twojego magazynu, która pozwala im wykorzystywać mechanizmy rynku energii. W niedalekiej przyszłości dojdzie tu również, jak pokazuje przykład Niemiec, możliwość zarabiania przez te spółki na usługach elastyczności dla sieci energetycznej,
Co dają magazyny energii przedsiębiorstwom?
Oprócz wspomnianych wyżej możliwości, korzystnie wpływają one również na wiele innych aspektów funkcjonowania przedsiębiorstwa. Świetnie sprawdzają się jako źródła zasilania awaryjnego, rozwiązują problem wyłączania fotowoltaiki ze względu na zbyt duże napięcie w sieci oraz wspomagają ładowanie samochodów elektrycznych.
Dla przedsiębiorstw szczególnie interesujące mogą okazać się również takie korzyści wypływające z magazynowania energii jak:
- maksymalizacja wykorzystania wygenerowanej energii,
- zwiększenie niezależności energetycznej dzięki opcji odłożonej konsumpcji w stosunku do momentu jej produkcji,
- możliwość działania w modelu wyspowym wszędzie tam, gdzie nie ma dostępu do sieci energetycznej,
- bezpieczeństwo ciągłości dostaw prądu, co jest szczególnie istotne w przypadku wystąpienia awarii sieci,
- poprawa wizerunku ekologicznego marki,
- szybsza stopa zwrotu z inwestycji – wynosząca obecnie między 6 a 8 lat.
Magazynowanie dużych ilości energii
Zamiana na energię elektrochemiczną to tylko jeden ze sposobów przechowywania energii. W przypadku produkcji dużej jej ilości warto poznać inne, może się bowiem okazać, że dla konkretnego rodzaju działalności są one bardziej opłacalne.
- zamiana na energię mechaniczną – wyróżniamy tu dwa sposoby, czyli wykorzystanie sprężonego powietrza oraz elektrownie szczytowo-pompowe. Oba mają sens jedynie przy bardzo dużych ilościach energii. Pierwsza ze względu na małą wydajność, druga wymaga ogromnych zbiorników, choć jest atrakcyjna ze względu na bardzo wysoką sprawność, mieszczącą się w przedziale 65-85%.
- chemiczne magazynowanie energii elektrycznej – tu najpopularniejsza jest produkcja wodoru oraz metanu. Zaletą magazynowania energii w postaci wodoru jest możliwość przechowywania go przez długi czas oraz wysoka gęstość energii. Metan jest łatwiejszy w produkcji, ale jego wadą są straty energii w procesie wytwarzania, które sprawiają, że całkowita ilość odzyskiwanej energii nie przekracza 38%. Wytwarzanie metanu jest atrakcyjne dla przechowywania nadmiarowej energii wytwarzanej przez duże elektrownie fotowoltaiczne i wiatrowe.
Jaki magazyn energii wybrać do fotowoltaiki
Jeśli zdecydujemy się na zakup magazynu wykorzystującego procesy elektrochemiczne należy dokładnie rozważyć, jakie mamy potrzeby w zakresie przechowywania energii. Firmy z zasady mają wysoką autokonsumpcję i z magazynem energii mogą osiągnąć stan, gdy cała energia z fotowoltaiki zostaje wewnątrz przedsiębiorstwa. Poza tym akumulatory ułatwiają kontrolę pobieranej z sieci mocy, co ma dla nich spore znaczenie, a także mogą zapewnić ciągłość produkcji na wypadek awarii sieci energetycznej.
Właściciele zakładów produkcyjnych i inni więksi odbiorcy energii powinni rozważyć magazyn przepływowy ze względu na jego niską cenę i powolną degenerację.
Ciekawą alternatywą jest magazyn hybrydowy, łączący magazyn przepływowy oraz litowo-jonowy. Magazyn przepływowy powoli ładuje się przez cały dzień, a litowo-jonowy włącza się tylko w godzinach największej produkcji (tzw. peak shaving).
Dla gospodarstw rolnych bardzo ważne jest zwiększenie autokonsumpcji i zapewnienie ciągłości dostaw energii elektrycznej, na przykład dla urządzeń chłodniczych. Funkcje te spełni każdy magazyn energii z funkcją zasilania awaryjnego.
Żywotność magazynów energii
Kupując instalację fotowoltaiczną jednocześnie z magazynem energii, co z punktu widzenia ekonomii jest najlepszym rozwiązaniem, ważna staje się żywotność urządzenia do przechowywania energii. Przyjmując, że panele będą działać nam około trzydziestu lat, naturalnym jest, że chcielibyśmy, aby magazyn posłużył nam tak samo długo. Niestety nie mam tu dobrych informacji. Bo choć długość życia magazynów energii zależy od wielu czynników, takich jak sposób użytkowania, dbałość o jego kondycję, charakterystykę pracy w dłuższym czasie, to w literaturze przedmiotu przyjmuje się, że wynosi ona przeciętnie 15 lat lub ok. 6000 pełnych cykli ładowania.
Z pomocą przychodzi nam kolejny sposób magazynowania energii, czyli superkondensatory. Jest to rodzaj kondensatorów elektrolitycznych o dużej pojemności. Gromadzą ładunek na podwójnej warstwie elektrycznej, która powstaje na granicy elektrolitu i elektrody. Wykorzystanie nanorurek węglowych pozwala na uzyskanie dużej powierzchni, co daje wzrost pojemność kondensatorów. Przewagą superkondensatorów nad akumulatorami jest większa gęstość energii. Oznacza to, że potrafią one oddać energię o dużej mocy. Co więcej, ogromną zaletą jest mały spadek właściwości użytkowych i długa żywotność (do 20 lat eksploatacji).
Jak jeszcze można magazynować energię?
Sposobów, jak już pisałem, jest wiele. Powyżej pokazałem te, które są obecnie wykorzystywane lub intensywnie rozwijane. Oprócz nich istnieją również takie, które znalazły swoją niszę (np. zamiana na energię kinetyczną w samochodach hybrydowych), ale nie mają większych szans na ekspansję oraz takie, które być może zaczną dominować w przyszłości (jak wykorzystanie procesów termicznych w coraz popularniejszych pompach ciepła). Do takich technologii należą:
- Wykorzystanie pola magnetycznego – zdecydowany lider jeśli chodzi o czas przechowywania i sprawność układu. Pole magnetyczne wytworzone przez prąd w nadprzewodniku utrzymuje się przez nieskończenie długi czas, a co za tym idzie, energia również może być w nim przechowywana dowolnie długo. Wydajność takiego układu jest rzędu 95%. Niestety, konieczność wykorzystania nadprzewodnika wiąże się z bardzo dużymi kosztami chłodzenia układu. Na domiar złego, technologia ta nie zapewnia możliwości przechowywania dużych ilości energii.
- Procesy termiczne – energię można zmagazynować przez ochłodzenie powietrza do -195°C co powoduje jego skroplenie. Objętość powietrza spada tysiąc razy, a jego przechowywanie staje się znacznie prostsze niż przechowywanie sprężonego wodoru. Wykorzystanie ciepła odpadowego z elektrowni może podnieść efektywność procesu do 70%.
- Ciekawym rozwiązaniem wykorzystującym procesy termiczne do magazynowania energii jest wykorzystanie pompy ciepła. Konieczne są tu dwa zbiorniki o dużej pojemności cieplnej połączone pompą. Gdy zapotrzebowanie na prąd jest małe, pompuje się ciepło do gorącego zbiornika. W momencie większego zapotrzebowania pompa jest wyłączana, a zamiast tego uruchamiane są turbiny generujące prąd dzięki różnicy temperatur. Brytyjczycy, którzy tę technologię rozwijają przewidują, że może stać się ona konkurencją dla elektrowni szczytowo-pompowych, przy kosztach rzędu 35$/MWh i efektywności odzyskiwania energii na poziomie 72-80%. Łatwo sobie wyobrazić, że wraz z postępem technologicznym zbiorniki będą stawać się coraz mniejsze i będziemy mogli sobie pozwolić na własne minielektrownie szczytowo-pompowe, jeśli nie przydomowe, to na pewno na skalę średniego i dużego przedsiębiorstwa.
Podsumowując, posiadanie magazynu energii już teraz niesie ze sobą wiele korzyści, a w momencie wprowadzenia taryf dynamicznych jego opłacalność tylko się zwiększy. Pozwalają one bowiem na zarówno na zwiększenie autokonsumpcji energii wyprodukowanej z własnych źródeł, jak również na sprzedaż nadwyżek do sieci w okresach wysokich cen. Dodatkowo, magazyny energii umożliwiają wykorzystanie taniego prądu w godzinach, gdy ceny na rynku są wyższe, a także oferują możliwość odpłatnego udostępniania zgromadzonej energii spółkom obrotu energią. Wreszcie, stanowią one także źródło zasilania awaryjnego, zapewniając niezależność i ciągłość dostaw energii w przypadku awarii. Magazynując energię w godzinach jej największej produkcji przez źródła odnawialne znacząco wpływają na zmniejszenie ich odłączeń od sieci, zwiększając jednocześnie stabilność ogólnokrajowej sieci energetycznej. Wszystkie te korzyści sprawiają, że magazyny energii odgrywają coraz większą rolę w zrównoważonym i efektywnym systemie energetycznym.
