Technologie magazynowania energii

Zmiany klimatu stanowią dzisiaj jedno z ważnych wyzwań dla świata technologii i biznesu. Wspomina o tym m.in. raport „The Global Risk Report” opublikowany przez World Economic Forum. Według autorów publikacji, aby uniknąć tragicznych skutków globalnego ocieplenia, świat musi dążyć do neutralności klimatycznej. Obecna sytuacja wymaga więc zmiany sposobu pozyskiwania energii elektrycznej, czyli odejścia od paliw kopalnych na rzecz rozwoju odnawialnych źródeł energii (OZE).

Śledząc bieżące wydarzenia i analizy, nie sposób nie zauważyć, że ilość instalacji OZE na świecie rośnie. Jednocześnie dynamiczny rozwój OZE, połączony z ich niestabilnym charakterem, oznacza kolejne wyzwanie dla branży. Kiedy świat zaczyna w większym stopniu korzystać z zielonej energii, pilne stają się bilansowanie sieci elektroenergetycznych i rozwijanie technologii magazynowania energii. Opierając się na danych z raportu „Dostępne i przyszłe formy magazynowania energii” Fundacji WWF Polska, przedstawię obiecujące rozwiązania, które są rozwijane lub już stosowane i pomagają w budowie miksu energetycznego neutralnego klimatycznie.

Znane i rozwijane metody magazynowania energii

Wzrost zapotrzebowania na energię prowadzi do powstawania nowych rozwiązań technologicznych w zakresie magazynowania energii oraz rozwijania i ulepszania tych, które już istnieją.

Technologie bazujące na przemianach mechanicznych

Elektrownie wodne szczytowo-pompowe (PHS) należą do grupy metod mechanicznych. Jest to jedna z najbardziej znanych wielkoskalowych metod gromadzenia energii. Tego rodzaju instalacje składają się z dwóch zbiorników umieszczonych na różnych wysokościach. Mechanizm działania jest prosty: pompy elektryczne przepompowują wodę z dolnego zbiornika do górnego i w ten sposób gromadzona jest energia. Podczas wypuszczania wody z górnego zbiornika (z użyciem turbin połączonych z generatorem) energia elektryczna ponownie trafia do sieci.

Zaletą tej metody jest sprawność na poziomie ok. 85%, znikome straty energii w czasie magazynowania, wysoka gęstość mocy oraz żywotność – ponad 20 lat. W Polsce mamy trzy elektrownie szczytowo-pompowe z lat 70. (Żarnowiec, Żydowo, Porąbka-Żar) i trzy elektrownie przepływowe z opcją pompowania wody (Solina, Niedzica, Dychów). Wszystkie służą do stabilizacji krajowego systemu elektroenergetycznego (KSE).

Magazyny energii sprężonego powietrza (CAES) wykorzystują tanią energię z OZE w czasie jej wysokiej generacji do sprężenia powietrza i przechowywania go w pojemnych zbiornikach, takich jak kawerny skalne, jaskinie solne czy kopalnie głębinowe. Dzięki temu w chwili, gdy potrzebujemy więcej energii elektrycznej, sprężone powietrze wykorzystywane jest do generacji energii elektrycznej poprzez rozprężenie powietrza w turbinie.

Instalacje sprężonego powietrza, podobnie jak elektrownie szczytowo-pompowe, mogą być wykorzystywane na dużą skalę. Co więcej, są przystosowane do przechowywania energii przez okres od kilku godzin do kilku miesięcy i charakteryzują się wysoką trwałością 20–40 lat. Całkowita sprawność cyklu magazynowania wynosi 42–54%. Takie obiekty znajdują zastosowanie na rynku przy stabilizacji systemów elektroenergetycznych i w sytuacji dużych skoków cen energii.

Magazyny energii ciekłego powietrza (LAES) to interesująca nowinka technologiczna, będąca niejako rozwinięciem idei magazynów energii sprężonego powietrza. Ta technologia wykorzystuje energię elektryczną do schładzania i sprężania powietrza do stanu ciekłego, a następnie przechowuje go w dużych zbiornikach kriogenicznych. Podczas rozładowywania magazynu skroplone powietrze jest odparowywane, podgrzewane i przepuszczane przez turbinę gazową, która generuje energię elektryczną.

Założeniem tej metody jest magazynowanie energii na dużą skalę w średnim i długim terminie. Ta technologia jest droższa od innych metod, dlatego nie poleca się jej do magazynowania sezonowego.

Technologie bazujące na przemianach elektromechanicznych

Drugą dobrze znaną w Polsce grupą metod magazynowania energii są metody elektrochemiczne, do których należą ogniwa galwaniczne (np. akumulatory kwasowo-ołowiowe, akumulatory litowo-jonowe) oraz akumulatory przepływowe (typu redoks).

Akumulatory kwasowo-ołowiowe (PbA) były jedną z pierwszych technologii tego typu wykorzystywanych do magazynowania energii. Ich sprawność wynosi 75–85%. Jednak ze względu na krótką żywotność i niską gęstość energii nie są obecnie tak bardzo popularne jak akumulatory litowo-jonowe.

Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) biją rekordy popularności, są powszechnie i różnorodnie wykorzystywane, m.in. w samochodach, telefonach, laptopach i wielu innych urządzeniach. Ich udział w światowym rynku akumulatorów sieciowych wynosi ponad 90%.

Magazyny energii litowo-jonowe mogą pełnić funkcję awaryjnego podtrzymywania zasilania, odznaczają się wyjątkową lekkością i wysoką gęstością energii (w porównaniu z innymi rodzajami akumulatorów). Ich sprawność kształtuje się na poziomie ok. 98%. Innowacje mają sprawić, by takie akumulatory stały się bardziej konkurencyjne pod kątem długoterminowego przechowywania.

Niestety, technologia litowo-jonowa ma też kilka wad, o których muszę wspomnieć. Jedną z najważniejszych są trudności związane ze składowaniem zużytych ogniw, choć na szczęście coraz więcej firm chce zajmować się recyklingiem takich ogniw i nawet w Polsce powstaje zakład recyklingu baterii w Zawierciu. Kłopotem są też ograniczone zasoby litu, ale naukowcy podpowiadają, że technologia jonowa może odrodzić się dzięki użyciu sodu.

Akumulatory sodowo-jonowe (Na-ion) mają potencjał i mogą być stosowane jako alternatywa dla akumulatorów litowo-jonowych. Wiodący na świecie producent ogniw litowo-jonowych, firma CATL, wdraża właśnie przemysłową produkcję ogniw sodowo-jonowych. Według producenta ogniwa sodowo-jonowe są konkurencyjne pod względem czasu ładowania, wydajności integracji i wydajności w niskich temperaturach powietrza. Producent wskazuje też na niższą cenę sodu i jego lepszą dostępność w porównaniu do litu.

Akumulatory sodowo-siarkowe (NaS) są kolejną technologią, która ma szansę zrewolucjonizować rynek magazynowania energii i nie wymaga użycia litu.

Akumulatory przepływowe uważa się za wartościową alternatywę w zastosowaniach wymagających dłuższego czasu magazynowania energii i zasilania ciągłego. Cechują się stosunkowo niską gęstością energii i długim cyklem życia. Magazynują energię w dwóch ciekłych roztworach chemicznych, które następnie, w celu rozładowania, przepływają przez ogniwo elektrochemiczne po dwóch stronach specjalnej membrany. Membrana oddziela substancje i jednocześnie pozwala na wymianę jonów między nimi. Tak wygląda proces przekształcenia energii chemicznej na energię elektryczną.

Najbardziej popularnym typem akumulatorów przepływowych są akumulatory wykorzystujące reakcję redukcji i utleniania, tzw. redoks. Choć istnieje kilka ich rodzajów, to ze względu na koszty i względy środowiskowe, najbardziej popularne są akumulatory przepływowe redoks z wanadu.

Według badań te akumulatory charakteryzują się długą żywotnością, trwałością, niskimi kosztami eksploatacji i niewielkim wpływem na środowisko. Akumulatory przepływowe redoks z wanadu oferują również niższy koszt posiadania i wyrównany koszt przechowywania energii przez cały okres użytkowania, ale ich zakup jest bardziej kosztowny w porównaniu do zakupu akumulatorów litowo-jonowych.

Technologie bazujące na przemianach elektrycznych

Superkondensatory to taki rodzaj kondensatorów, w których zamiast dwóch okładek z materiału przewodzącego rozdzielonych dielektrykiem (materiałem izolacyjnym), jest tylko jedna okładka, a w miejscu drugiej znajduje się elektrolit. Separacja ładunków następuje wtedy w podwójnej warstwie elektrycznej na powierzchni naładowanej elektrody (zanurzonej w elektrolicie).

Te urządzenia mogą być ładowane i rozładowywane z dużą mocą, ale ich słabszą stroną jest mała pojemność. Zatem sprawdzają się głównie jako krótkoterminowe magazyny energii z krótkim czasem reakcji (od milisekund). W ten sposób poprawiają jakość zasilania: ochraniają przed krótkotrwałą utratą mocy, zmianą napięcia zasilania lub częstotliwością. Sprawność superkondensatorów dochodzi nawet do 97%. Superkondensatory znajdują zastosowanie także jako stacjonarne magazyny energii albo jako technologia uzupełniająca, połączona z akumulatorami litowo-jonowymi w napędach samochodów elektrycznych, służąca wydłużeniu żywotności baterii.

Technologie bazujące na przemianach chemicznych

Wodorowe ogniwa paliwowe stanowią źródło energii elektrycznej, które powstaje w wyniku reakcji między wodorem i tlenem. Ta technologia uważana jest za postępową i z dużym potencjałem, ponieważ nie musi powodować emisji gazów cieplarnianych. Co prawda wodór nie występuje na Ziemi w stanie wolnym i musi być wytworzony z nakładem energii, jednak istnieje kilka sposobów jego produkcji, w tym dwa bezemisyjne: elektroliza wody i katalityczny rozkład wody.

Obecnie technologia ogniw paliwowych, w tym wodorowych, nie zdobyła jeszcze pełnej popularności, jednak wiąże się z nią nadzieje, bo posiada wiele zalet w porównaniu do tradycyjnych technologii galwanicznych. Przede wszystkim nie wymaga udziału trudnych do pozyskania surowców i może być rozwiązaniem ekologicznym – jedyny produkt uboczny spalania wodoru to para wodna. Co więcej, proces ten można odwrócić, co pozwala na magazynowanie energii. Ogniwa wodorowe wypadają korzystnie również pod kątem czasu wymaganego do uzupełnienia ogniw (ładowanie baterii galwanicznej trwa dłużej). Obecnie wciąż trwają prace badawczo-rozwojowe mające na celu upowszechnienie technologii ogniw wodorowych.

Wybór najlepszych metod magazynowania energii

Każde rozwiązanie ma zarówno wady, jak i zalety. Z tego powodu wybór najskuteczniejszej metody spośród wszystkich dostępnych lub ich miksu jest wyzwaniem. W przypadku magazynów energii mamy do czynienia z różnymi technologiami, a nie tylko jedną dominującą, co wynika z różnorodności ich zastosowań i rachunku ekonomicznego. Na przykład tradycyjna elektrownia szczytowo-pompowa jest tańsza niż innowacyjne magazyny wodorowe, ale nie zawsze istnieją odpowiednie warunki do jej zbudowania.

Wybór najlepszych metod magazynowania energii zależy także od danej aplikacji. Podejmując decyzję, należy uwzględnić oczekiwania, potrzeby, pożądane funkcjonalności (np. magazyn długoterminowy, mobilny), przeznaczenie, obszary, koszty. Ze względu na te czynniki w wielu przypadkach najbardziej odpowiednim rozwiązaniem mogą okazać się hybrydowe magazyny energii. Połączenie dwóch lub trzech różnych technologii może być bowiem bardziej ekonomiczną opcją. Jednocześnie uzupełnimy w ten sposób braki lub wady magazynu energii zbudowanego w jednej technologii.

Perspektywy rozwoju magazynów energii

Wszelkie prognozy dotyczące rynku magazynowania energii wykazują wyraźne wzrosty w najbliższych latach. Do niedawna magazyny energii były postrzegane jedynie jako zasilanie awaryjne i rozwiązanie przydatne w przypadku wystąpienia przerwy w dostawie energii. Dzisiaj szukamy w nich potencjalnego rozwiązania problemów systemu elektroenergetycznego, co jest związane z upowszechnianiem się odnawialnych źródeł energii. I dlatego nie mam wątpliwości, że udoskonalenia techniczne, korzyści ekonomiczne i ekologiczne związane z systemami magazynowania energii spowodują wzrost inwestycji w te rozwiązania.

W artykule opisałam wybrane metody magazynowania energii, o których dużo się mówi, ale metod jest o wiele więcej. Ponadto nowe rozwiązania też powstają i nie ma pewności, które z nich zyskają popularność w polskiej energetyce w przyszłości. Jednak na ten moment na większą skalę wykorzystuje się w Polsce głównie trzy metody magazynowania energii: mechaniczne, elektrochemiczne, cieplne. Najszybciej na świecie rozwija się technologia akumulatorów litowo-jonowych i także w Polsce mamy w realizacji kilka projektów pilotażowych instalacji o większych mocach. Według prognoz WWF do roku 2028 ogniwa litowo-jonowe będą stanowić ponad 1,2 TWh na globalnym rynku, w tym: w pojazdach elektrycznych tych ogniw będzie 1 TWh, w elektronice – 0,15 TWh, zaś w stacjonarnym magazynowaniu energii – 0,1 TWh. Oprócz tego warto śledzić postępy w dziedzinie technologii ogniw paliwowych, szczególnie ogniw wodorowych, które do produkcji energii potrzebują łatwo dostępnych surowców. Ponadto, ze względu na ekologię i krótszy czas ładowania, wielu ekspertów uważa tę technologię za konkurencyjną w stosunku do ogniw galwanicznych.

Komentarze ekspertów

Co na temat rozwoju technologii magazynowania energii sądzą eksperci? Poprosiłam o komentarz osoby zawodowo zajmujące się rozwojem nowych technologii w branży elektroenergetycznej. Sądzę, że ich wypowiedzi będą najlepszym podsumowaniem artykułu.

• Krzysztof Wybrański, dyrektor ds. rozwoju nowych technologii w ZPUE S.A.:

„Nie jest możliwy dalszy rozwój OZE i zmiana miksu energetycznego bez rozwoju technologii magazynowania energii. Magazyny energii pozwolą nam przesunąć profil wytwarzania względem profilu zużycia – dziś muszą się równoważyć w czasie rzeczywistym.

Obecnie technika umożliwia nam zamianę energii elektrycznej na energie kinetyczną i zmagazynowaną w ogniwach elektrochemicznych. W zależności od czasu i wielkości energii, którą chcemy przechować stosujemy różne zasobniki. Dziś inżynierowie różnych branż bardzo intensywnie pracują nad rozmaitymi technologiami magazynowania energii. Myślę, że w niedługim czasie czeka nas jeszcze wiele ciekawych rozwiązań w zakresie magazynowania energii”.

• Artur Koziński, kierownik działu rozwoju SPS w ZPUE S.A.:

„Obecnie jesteśmy na takim etapie transformacji energetyki, że odchodzimy od źródeł emisyjnych, bazujących na spalaniu węglowodorów, a przechodzimy na te odnawialne (OZE). Charakterystyka ich pracy znacząco odbiega od działania źródeł cieplnych i jest nierozerwalnie związana z panującymi warunkami pogodowymi. Źródła o tak niestabilnej charakterystyce wytwarzania, pracując indywidualnie, nie nadają się do tego, aby bezpośrednio zasilać odbiorniki energii elektrycznej. Tak wygenerowana energia elektryczna musi być odpowiednio przetwarzana i stabilizowana, aby uzdatnić ją do użytku przez odbiorniki.

Dziś źródła odnawialne przyłączane są do tej sieci, w której wiodącą rolę w wytwarzaniu energii pełnią sterowane źródła cieplne. Tych odnawialnych w całym miksie energetycznym mamy około 15%. Już taka ilość powoduje duże trudności z dotrzymaniem jakości energii oraz  zwiększa ryzyko wystąpienia blackoutu, co osłabia bezpieczeństwo energetyczne. Dalszy rozwój energetyki w kierunku źródeł odnawialnych jeszcze bardziej pogłębi te problemy. Rozwiązaniem są magazyny energii, które w kontrolowany sposób zdejmują nadwyżkę energii z sieci w przypadku nadprodukcji z OZE oraz oddają energię do sieci w momencie jej niedoboru.

Tylko przemyślane łączenie źródeł odnawialnych o różnym profilu wytwarzania w połączeniu z magazynami energii gwarantuje stabilną i bezpieczną pracę systemu elektroenergetycznego, w którym dominującą rolę będą odgrywać źródła odnawialne. Obecnie bez magazynów energii przyłączanie kolejnych mocy z OZE staje się coraz trudniejsze, a w niektórych rejonach sieci niemożliwe. Powód jest jeden: sieci bez magazynów energii nie radzą sobie z tak dużą ilością energii i mocy transferowanej ze źródeł odnawialnych. Nie są w stanie zbilansować tej energii w czasie.

Reasumując, nadszedł czas na magazyny energii. Bez nich istnieje ryzyko spowolnienia dynamiki rozwoju OZE. Mowa tutaj o różnych technologiach magazynowania, ale na szczególną uwagę zasługują magazyny energii, które nadają się do dobowego bilansowania energii ze źródeł odnawialnych.”

Źródła:

Dostępne i przyszłe formy magazynowania energii, Raport Fundacji WWF Polska, Warszawa 2020.

The Global Risks Report 2022 17th Edition, World Economic Forum, 2022.

The 5 Most Promising Long-Duration Storage Technologies Left Standing, www.greentechmedia.com (dostęp: 30.03.2023)

CATL Unveils Its Latest Breakthrough Technology by Releasing Its First Generation of Sodium-ion Batteries, www.catl.com (dostęp: 30.03.2023)

Can flow batteries supercharge the energy transition?, www.energymonitor.ai (dostęp: 30.03.2023)