W ostatnich latach udział odnawialnych źródeł energii w miksie energetycznym wielu części świata gwałtownie się zwiększył. Obowiązujące prawa i dyrektywy a także kierunek rozwoju technologicznego wskazują, że ta tendencja będzie się utrzymywać. World Nuclear Association zwraca uwagę na znaczenie długotrwałego magazynowania energii i magazynowanie energii na dużą skalę. Raport WNA podkreśla, że aby efektywnie magazynować energię ze źródeł odnawialnych potrzebne są systemy będące w stanie zapewnić energię na przestrzeni dni, a nie tylko minut czy godzin. Zastosowanie długotrwałego magazynowania energii jest niezbędne, aby odnawialne źródła, których produkcja energii jest z natury nieciągła, mogły stać się podstawą systemu elektroenergetycznego.
Pumped Hydroelectric Storage – elektrownie szczytowo-pompowe
Obecnie dobrze rozwiniętą technologię stanowią elektrownie szczytowo-pompowe. Są one wykorzystywane do wyrównywania dziennego obciążenia systemu elektroenergetycznego. W godzinach zmniejszonego obciążenia i w weekendy woda jest pompowana do wysoko położonych zbiorników. Następnie w godzinach szczytowego zapotrzebowania na energię woda jest uwalniana za pośrednictwem turbin do niżej położonego zbiornika. W tym procesie energia potencjalna zamieniana jest na elektryczną. Elektrownie szczytowo-pompowe są efektywne w pokrywaniu zwiększonego obciążenia, jednak nie w każdym miejscu istnieją odpowiednie warunki do ich budowy. Można odzyskać z nich ok. 70% energii. Technologia PHS umożliwia przechowywanie dużych ilości energii przy niskich kosztach, co czyni ją idealną do długotrwałego magazynowania energii.
Magazynowanie energii w akumulatorach
Na poziomie gospodarstwa domowego rekomendowane jest przechowywanie energii w systemach wykorzystujących baterie akumulatorowe. Umożliwia to odciążenie sieci. Ich działanie polega na konwersji energii elektrycznej na chemiczną, a następnie odwrotnej przemianie w reakcji elektrochemicznej. Wymaganiami stawianymi przed akumulatorami są wysoka gęstość energii i moc, długi okres eksploatacji, bezpieczeństwo i niski koszt. Pod uwagę brane są także szybkość ładowania i rozładowania. Użycie baterii wymaga zastosowana systemu konwersji energii z falownikiem niezbędnym do przekształcenia prądu stałego baterii na przemienny stosowany w normalnej instalacji elektrycznej.
Za przyszłościową technologię długotrwałego magazynowania energii uważane są akumulatory przepływowe. W przeciwieństwie do baterii litowo-jonowych wykazują się one długim cyklem życia oraz brakiem konieczności wykorzystania rzadkich substancji do ich budowy. Obecnie jednak ilość zastosowań baterii przepływowych jest ograniczona, a ich przyszłość zależy od kierunku rozwoju technologicznego.
O bateriach przepływowych pisaliśmy również a artykule Nietypowe metody magazynowania energii.
Superkondensatory
Kondensatory magazynują energię w postaci ładunku elektrycznego. Superkondensatory wykazują się pojemnością przekraczającą 1000 faradów, a więc ponad 10 000 razy większą niż klasyczne kondensatory. Używane są do magazynowania energii jako urządzenia odporne na wiele cykli ładowania i rozładowania przy wysokim natężeniu prądu. Naładowanie superkondensatora trwa mniej niż 10 s, natomiast proces rozładowania nie przekracza 60 s. Uzyskiwane na nim napięcie to 2,5-2,7 V. Superkondensatory łączą w sobie właściwości klasycznych kondensatorów, czyli pobieranie i oddawanie dużych mocy (znacznie większych niż zwykły kondensator), oraz akumulatorów, do których należy wysoka gęstość energii (w dalszym ciągu jednak niższa o rząd wielkości). Sam superkondensator stanowi metodę krótkotrwałego magazynowania energii, jednak w połączeniu z baterią w hybrydowym systemie zasilania mógłby przyczynić się do zwiększenia efektywności także w systemach, w których energia ma być magazynowana przez dłuższy czas.
Compressed Air Energy Storage – magazynowanie energii w sprężonym powietrzu
Przechowywanie energii w postaci sprężonego powietrza to technologia o zastosowaniach zarówno na mało- jak i wielkoskalowych. Polega ona na sprężaniu powietrza (lub innego gazu) i następnie przechowywaniu go w podziemnych jaskiniach lub nieczynnych kopalniach. Podobnie jak pompowanie wody do wyżej położonych zbiorników w elektrowniach szczytowo-pompowych, sprężanie powietrza odbywa się gdy ceny energii są niższe. Gdy wzrasta zapotrzebowanie na energię, powietrze jest ogrzewane i rozpręża się, poruszając turbinę napędzającą generator prądu. Tak jak PHS, magazynowanie energii w sprężonym powietrzu może być długookresowe.
Istnieją różne techniki sprężania powietrza wykorzystywane w CAES. Należą do nich między innymi sprężanie diabatyczne oraz adiabatyczne. Instalacje wykorzystujące tę pierwszą metodę działają na tej samej zasadzie, co zwykłe turbiny gazowe, jednak sprężanie i rozprężanie zachodzi w nich w różnych okresach czasu. Sprężanie ma miejsce przy nadmiarze energii elektrycznej, natomiast rozprężanie przy zapotrzebowaniu na nią. Dwie istniejące obecnie komercyjne instalacje CAES wykorzystują tę metodę. Adiabatyczne sprężanie występuje, gdy ciepło tracone przez gaz przy sprężaniu jest magazynowane i później wykorzystywane przy jego powtórnym ogrzewaniu. Pozwala to na znaczne zwiększenie sprawności systemu, eliminując konieczność dodatkowego spalania gazu ziemnego w celu rozprężenia powietrza.
O magazynowaniu energii w sprężonym powietrzu pisaliśmy również a artykule Największe na świecie magazyny energii na sprężone powietrze.
Liquid Air Energy Storage – magazynowanie energii w ciekłym powietrzu
Inną obiecującą technologią jest przechowywanie energii w ciekłym powietrzu. Polega ono na ochłodzeniu gazu do temperatury -196°C, kiedy to zmienia on stan skupienia na ciekły. Skroplone powietrze przechowywane jest w niskociśnieniowych zbiornikach. Wystawienie na działanie wyższej temperatury powoduje gwałtowny powrót do stanu gazowego i 700-krotne rozprężenie. Rozprężający się gaz porusza turbinę, generując elektryczność. Metoda LAES pozwala na długotrwałe magazynowanie energii (nawet na skalę tygodni).
O magazynowaniu energii w ciekłym powietrzu pisaliśmy również a artykułach Największy na świecie projekt magazynowania energii w ciekłym powietrzu oraz Wielkoskalowe magazyny z ciekłym powietrzem w Hiszpanii.
Wodór
Obecnie wzrasta zainteresowanie wykorzystaniem wodoru do magazynowania energii, choć sprawność powiązanych z nim procesów jest niska (65-70%). Gaz może zostać użyty np. do produkcji ogniw paliwowych lub spalony zamiast paliw kopalnych. Rozwiniętą technologią jest wytwarzanie wodoru w klasycznym procesie elektrolizy wody. Obecnie w fazie badań są nowe technologie, takie jak elektrolizery wysokotemperaturowe, które mają umożliwić zwiększenie sprawności elektrolizy nawet do 90%. Wraz z postępem technologicznym produkcja wodoru może również stać się efektywną metodą długotrwałego magazynowania energii.
Więcej informacji o metodach magazynowania energii
O ciekawych metodach magazynowania energii pisaliśmy wielokrotnie. Poniżej przedstawiamy listę kilku najciekawszych tekstów opublikowanych na naszym portalu:
dr inż. Piotr Klonowicz, Czy baterie Carnota są przyszłością bilansowania sieci elektroenergetycznych?
Nietypowe metody magazynowania energii
Wykorzystanie lodu i piasku do magazynowania energii
Nowatorskie wytwarzanie i magazynowanie energii
Najbardziej obiecujące technologie magazynowania energii
Źródła:
http://www.portalnaukowy.edu.pl/allegro/superkondensator.pdf
https://www.osti.gov/etdeweb/servlets/purl/20823695
https://res.mdpi.com/d_attachment/energies/energies-13-04518/article_deploy/energies-13-04518.pdf
https://energystorage.org/why-energy-storage/technologies/compressed-air-energy-storage-caes/
https://www.icrepq.com/icrepq-08/327-faias.pdf
https://openei.org/wiki/Compressed_Air_Energy_Storage_(CAES)
https://energystorage.org/why-energy-storage/technologies/hydrogen-energy-storage/