Magazyny energii w systemie elektroenergetycznym

Monika Ciaś
Inżynier Ekolog

Podstawową rolą krajowego systemu elektroenergetycznego jest zapewnienie ciągłości dostaw energii elektrycznej dla odbiorców. Przyszłością stabilności dostaw jest dywersyfikacja źródeł energii elektrycznej oraz rozwój systemów magazynowania energii, które stanowią podstawowe założenia Strategii Bezpieczeństwa Narodowego.

W ostatnich latach obserwujemy dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii (OZE), przede wszystkim w branży energetyki słonecznej i wiatrowej. Są to źródła pogodowo zależne, o dużej zmienności produkcji w cyklach rocznych, jak i dobowych. Tak dynamiczny rozwój OZE, przy jednoczesnym wygaszaniu kolejnych bloków elektrowni węglowych stanowi coraz większą trudność dla stabilizacji polskich sieci oraz utrzymania parametrów jakościowych energii elektrycznej. Dodatkowym czynnikiem stanowiącym wyzwanie dla utrzymania jakości dostaw energii elektrycznej jest czasowa zmienność zapotrzebowania na energię elektryczną. Krajowy system energetyczny powinien charakteryzować się odpornością na fluktuacje sezonowe m.in. związane z wysokim zapotrzebowaniem na energię w okresie letnim, jak i te dobowe - poranne i wieczorne szczyty popytu na prąd. Zapewnienie płynności działania sieci wymaga zastosowania bufora energii, którego rolę z powodzeniem mogą pełnić magazyny energii elektrycznej.

Definicja magazynu energii została określona w Ustawie o zmianie ustawy Prawo Energetyczne¹. Według jej zapisów, magazyn energii to instalacja umożliwiająca magazynowanie energii elektrycznej i wprowadzenie jej do sieci elektroenergetycznej, natomiast proces magazynowania energii to przetworzenie energii elektrycznej pobranej z sieci elektroenergetycznej lub wytworzonej przez jednostkę wytwórczą przyłączoną do sieci elektroenergetycznej i współpracującą z tą siecią do innej postaci energii, przechowanie tej energii, a następnie ponowne jej przetworzenie na energię elektryczną.

Celem magazynowania energii elektrycznej jest jej kumulowanie, gdy mamy do czynienia z nadwyżką podaży energii, aby następnie wykorzystać ją w sytuacji zapotrzebowania, które nie może zostać pokryte z innego źródła. Magazynowanie energii jest zasadne również w momencie, gdy wykorzystanie zgromadzonej energii jest bardziej ekonomicznie niż pobranie jej w tym samym czasie z sieci. Zasadniczym założeniem magazynowania energii jest wzrost zysków ze sprzedaży energii w przypadku jej producentów oraz minimalizacja kosztów konsumpcji energii elektrycznej w przypadku odbiorców końcowych. Szczególnie duże możliwości optymalizacji kosztów przynoszą magazyny energii w przypadku, gdy inwestor korzysta z taryf z zakontraktowaną ceną o zmiennym profilu dobowym.

Wzrost liczby odnawialnych źródeł energii i ich wpływ na krajowy system energetyczny determinuje rozwój technologii magazynowania energii. Najpowszechniejszą metodą wielkoskalowego mechanicznego magazynowania energii w Polsce są elektrownie wodne szczytowo- pompowe (PHS).  Mechanizm działania tego typu elektrowni polega na wznoszeniu wody ze zbiornika dolnego do zbiornika znajdującego się wyżej w czasie, gdy energia elektryczna jest tania oraz odzyskania energii w momencie, gdy ceny prądu są wysokie lub w chwili nagłego wzrostu zapotrzebowania na energię. Największymi zaletami tego typu magazynów jest wysoka sprawność oraz mała awaryjność. Elektrownie tego typu są również obiektami strategicznymi, gwarantują stabilizację i bezpieczeństwo krajowego systemu energetycznego. Mniej popularne, jednak również warte uwagi są magazyny energii sprężonego powietrza (CAES) oraz magazyny energii ciekłego powietrza (LAES). Obie te metody bazują na procesie sprężania i rozprężania powietrza oraz magazynowania cieczy lub gazu w szczelnych zbiornikach. Instalacje oparte na przemianach gazowych również mogą być wykorzystywane na dużą skalę w celu stabilizacji systemów energetycznych.

Drugą, popularną metodą magazynowania energii są te, które wykorzystują technologie oparte na przemianach elektrochemicznych. Najpowszechniej stosowane są akumulatory zbudowane z ogniw galwanicznych, m. in. akumulatory kwasowo- ołowiowe (PbA), akumulatory litowo-jonowe (Li-ion), akumulatory sodowo-jonowe (Na-ion), akumulatory sodowo-siarkowe (NaS) oraz akumulatory typu redoks (przepływowe). Dominującą technologią na rynku są akumulatory litowo- jonowe (stosowane m. in. w samochodach, telefonach, laptopach).

Obecnie intensywnie rozwijana jest technologia akumulatorów przepływowych  a najpopularniejszy, wykorzystywany do budowy akumulatorów lit, może zostać w przyszłości zastąpiony przez wanad. Jedną z głównych zalet przepływowych baterii wanadowych jest przede wszystkim możliwość jednoczesnego ładowania i rozładowywania. Na dziś jest to jedna z najlepiej zapowiadających się technologii.

Alternatywę stanowią także technologie oparte na przemianach chemicznych. Najpopularniejsze z nich to wodorowe ogniwa paliwowe. Wykorzystywane są bezemisyjne metody wytwarzania wodoru poprzez elektrolizę wody. Ogniwa wodorowe stale zyskują na popularności i są prowadzone intensywne prace nad rozwojem tej technologii.

Magazynowanie energii elektrycznej jest warunkiem powodzenia transformacji energetycznej opartej na rozwoju źródeł odnawialnych o zmiennej w czasie charakterystyce produkcji. Aktualnie rynek magazynów energii rozwija się intensywnie. Opracowywane są nowe technologie, które stają się konkurencyjne pod kątem ekonomicznym i jakościowym względem starszych, dopracowanych rozwiązań.

1. Ustawa z dnia 20 maja 2021 r.  o zmianie ustawy Prawo Energetyczne oraz niektórych innych ustaw, Dz.U.2021.1093

Źródła:

• Magazyn energii gwarantem bezpieczeństwa energetycznego, www.energate.pl
• Technologie magazynowania energii, www.e-magazyny.pl
• Dostępne i przyszłe formy magazynowania energii, Raport Fundacji WWF Polska, Warszawa 2020, www.wwf.pl
• The 5 Most Promising Long-Duration Storage Technologies Left Standing, www.greentechmedia.com