Różne sposoby magazynowania energii w branży odnawialnych źródeł energii zapewniają równowagę między produkcją energii a jej wykorzystaniem. Zapewniają jej stały dostęp do odbiorców, a także zwiększają elastyczność systemów energetycznych. W dzisiejszym artykule przedstawimy, jakie są metody magazynowania energii i co warto o nich wiedzieć.
Sposoby magazynowania energii
Wśród sposobów magazynowania energii wyróżniamy:
- chemiczne,
- elektryczne,
- termiczne,
- mechaniczne.
Chemiczne magazynowanie energii
Metoda elektrochemicznego magazynowania polega na wykorzystaniu baterii do przechowywania energii w postaci chemicznej. Przemiana energii elektrycznej w związki chemiczne to podstawa jednej z najbardziej popularnych technologii magazynowania. Chemiczne magazyny energii to głównie akumulatory:
- niskotemperaturowe – ołowiowo-kwasowe czy litowo-jonowe,
- wysokotemperaturowe, głównie sodowo-siarkowe (tzw. systemy z magazynowaniem wewnętrznym – ich poziom energii i moc wyjściowa są niezależne),
- systemy z zewnętrznym magazynowaniem energii – wodoru/metanu i akumulatory przepływowe (ang. redox-flow batteries).
Rodzaje magazynów energii
Magazyny bateryjne
Elektrochemiczne magazyny energii wykorzystuje procesy chemiczne do magazynowania energii elektrycznej. Inaczej są nazywane po prostu bateriami lub akumulatorami. Najpopularniejsze baterie do magazynowania energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych to:
- litowo-jonowe baterie do magazynowania energii – charakteryzują się wysoką gęstością energii, niską masą własną, stabilnością cyklu i długą żywotnością. Ze względu na zdolność do szybkiego ładowania i rozładowywania, idealnie nadają się do zarządzania szczytowymi obciążeniami. Magazyn energii litowo-jonowy może doskonale służyć jako źródło rezerwowe w przemyśle oraz w systemach fotowoltaicznych i wiatrowych.
Magazyn energii litowo-jonowy na farmach OZE
Baterie litowo-jonowe są popularne w przechowywaniu energii elektrycznej w instalacjach energii odnawialnej. Na farmach fotowoltaicznych baterie są zazwyczaj umieszczane w specjalnie zaprojektowanych kontenerach (tzw. kontenerowe magazyny energii) lub budynkach w pobliżu paneli fotowoltaicznych.
Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe
Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe są uznawane za jedne z najbezpieczniejszych typów baterii litowo-jonowych. Mają wysoką tolerancję na wysokie temperatury, co zmniejsza ryzyko wystąpienia problemów z bezpieczeństwem, takich jak przegrzanie czy zapalenie.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe
Akumulator kwasowo-ołowiowy jest najbardziej rozpowszechniony. Tego rodzaju magazyny energii charakteryzują się użytecznymi gęstościami mocy i energii przy niskim samorozładowaniu, co sprawia, że są odpowiednie jako akumulatory rozruchowe lub zasilacze awaryjne UPS, np. w telekomunikacji. Warto wspomnieć, że system magazynowania energii może zapewnić możliwość kompensowania krótko- oraz średniofalowych zmian obciążenia.
Akumulatory wysokotemperaturowe
Do popularnych typów magazynów wysokotemperaturowych zaliczamy te na bazie siarczku sodu (NaS) i na chlorku sodu oraz niklu (tzw. akumulatory ZEBRA). Tutaj materiałem aktywnym jest ciekły elektrolit, co odróżnia zasobniki od tych niskotemperaturowych. Cechują się także koniecznością eksploatacji w temperaturze ok. 300°C, dużą liczbą cykli ładowania/rozładowania przy dużej wydajności.
Magazyny energii przepływowe
Magazyny przepływowe przechowują energię w postaci elektrolitu w zbiornikach. Są bardziej skalowalne niż tradycyjne baterie i mogą przechowywać większe ilości energii, co czyni je odpowiednimi do magazynowania energii elektrycznej na dużą skalę.
Baterie przepływowe redox-flow
Zaliczamy je do grupy zewnętrznych zasobników chemicznych. Ich cechy to materiał aktywny na bazie soli rozpuszczony w ciekłym elektrolicie, który znajduje się w oddzielnym zbiorniku. Inny rodzaj baterii przepływowej, czyli akumulator redox-flow na bazie wanadu, to rodzaj magazynu energii, który przechowuje energię w postaci chemicznej w roztworach elektrolitów.
Należy wspomnieć, że zasoby wanadu są ograniczone, co wpływa na mało ekonomiczną eksploatację. Przewagą nad systemami magazynowania z zasobnikami chemicznymi wewnętrznymi jest niezależność dobierania mocy i wydajności akumulatora.
Wodór/Metan
Kolejnym sposobem magazynowania energii jest wodór, który cechuje się możliwością znacznego stopnia sprężania w kawernach solnych. Determinuje niskie koszty zasobnika i wysoką zdolność magazynowania energii.
• Ogniwa paliwowe – przekształcają energię chemiczną zawartą w paliwie (na przykład w wodorze) bezpośrednio na energię elektryczną poprzez reakcje chemiczne. Są efektywne i czyste, ponieważ ich jedynym produktem ubocznym jest woda.
• Tworzenie wodoru lub metanu – te procesy mogą być wykorzystane do magazynowania energii elektrycznej w postaci chemicznej. Przykładowo, wodorowanie polega na wykorzystaniu nadmiaru energii elektrycznej do elektrolizy wody, w wyniku czego powstaje wodór. Może on być później wykorzystany do zasilania ogniw paliwowych lub do produkcji metanu, który jest łatwy do przechowywania i transportowania.
Zielony wodór na farmach fotowoltaicznych i wiatrowych
Podczas planowania systemów w celu kompensacji wahań mocy farm fotowoltaicznych, należy wziąć pod uwagę łatwopalność wodoru. W związku z tym zielony wodór jest metanizowany poprzez dostarczenie CO2 (proces Fischera-Tropscha). W wyniku tego uzyskujemy czysty metan, który jest łatwy w eksploatacji i kontroli pod kątem bezpieczeństwa. Koszty magazynów energii bazujących na metanie są niższe.
Elektryczne systemy magazynowania energii
Elektryczne technologie magazynowania energii zazwyczaj nie wymagają wtórnego materiału do jej przechowywania. Magazynowanie często zachodzi w polu elektrostatycznym albo w stałym polu magnetycznym. Tego rodzaju systemy mogą szybko się ładować i rozładowywać. Warto omówić tutaj dwa przykłady: superkondensatory i cewki nadprzewodzące.
Superkondensatory
Superkondensatory mogą być wykorzystywane do krótkoterminowego magazynowania energii, na przykład do równoważenia chwilowych zmian w produkcji energii z farm fotowoltaicznych czy wiatrowych. Dzięki ich zdolności do szybkiego ładowania i rozładowania, mogą dostarczać energię w krótkich cyklach czasowych.
Nadprzewodnikowe cewki magnetyczne
Nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii (SMES) przechowują ją w postaci pola magnetycznego wytworzonego przez prąd stały płynący przez cewkę. W celu bezstratnego przechowywania energii wymagane jest chłodzenie cewki ciekłym helem.
Termiczne magazynowanie energii
Magazynowanie termiczne skupia się na akumulacji ciepła, które może być wykorzystane później, na przykład do ogrzewania budynków lub w procesach przemysłowych. Technologie magazynowania energii, takie jak akumulatory ciepła, korzystają z różnych mediów, np. wody, kamieni czy soli, efektywnie przechowują ciepło.
Te systemy magazynowania prądu są szczególnie efektywne w połączeniu z energetyką solarną, umożliwiając wykorzystanie nadmiaru ciepła w okresach, gdy kolektory słoneczne nie generują energii.
Magazyny energii mechaniczne
Metody mechanicznego magazynowania energii, takie jak hydroakumulacyjne elektrownie wodne czy koła zamachowe (flywheels), przechowują energię poprzez procesy fizyczne.
Przykładowo, hydroelektrownie pompowe gromadzą energię poprzez pompowanie wody do zbiornika umieszczonego na wyższym poziomie, wykorzystując ją później do produkcji energii przez turbiny. Flywheels magazynują energię kinetyczną w obracającym się dysku, który może szybko oddać zgromadzoną energię, stabilizując sieć i odpowiadając na nagłe zmiany zapotrzebowania.
Elektrownia szczytowo-pompowa
Energia kinetyczna wody płynącej z górnego zbiornika do dolnego jest zamieniana w generatorze na energię elektryczną. Jest to rozpowszechniony system magazynowania energii stanowiący 99% światowych systemów magazynowania energii w sieciach elektroenergetycznych. W odróżnieniu od systemów akumulatorowych, możliwe lokalizacje tego rodzaju jednostek są zależne od warunków oraz ograniczeń geograficznych i zwykle położone z dala od centrów poboru energii elektrycznej. Pod względem ekonomicznym elektrownie szczytowo-pompowe stanowią jedną z najbardziej efektywnych kosztowo opcji magazynowania energii elektrycznej.
Wirujące zasobniki energii
Magazynowanie energii jest możliwe także za sprawą wykorzystania energii kinetycznej w ruchu obrotowym. Zawieszone w próżni na łożyskach magnetycznych koło zamachowe gromadzi energię. Tego typu magazyn energii cechuje wysoka trwałość i wysoka gęstość mocy. Jednostki skupiają się głównie na zredukowaniu krótkotrwałych wahań napięcia i częstotliwości, żeby poprawić jakość energii.
Kompresyjne systemy magazynowania energii
Kolejny rodzaj magazynu energii – kompresyjne systemy magazynowania energii (ang. CAES) wykorzystują jako nośnik energii sprężone powietrze zmagazynowane np. w kawernach solnych. Rozwój systemów adiabatycznych magazynowania energii sprężonego powietrza poczynił postępy wraz ze wzrostem wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych. Zasada działania magazynu opartego na sprężonym powietrzu jest analogiczna do elektrowni szczytowo-pompowej. Wybór miejsca instalacji zależy w głównej mierze od dostępności podziemnych zbiorników, w których może być magazynowane sprężone powietrze może.
Magnetyczny magazyn energii
Wykorzystuje pole magnetyczne do przechowywania energii w postaci energii potencjalnej magnesów. Magazyny magnetyczne są wysoce wydajne, szybko się ładują i rozładowują, a także cechuje je długa żywotność.
Magazynowanie energii z paneli fotowoltaicznych
Różne technologie magazynowania energii pozwalają dostosować je do potrzeb każdej inwestycji OZE. Poniżej przedstawiamy najbardziej popularne rozwiązania stosowane do magazynowania energii słonecznej:
• Baterie do magazynowania energii – najczęstszym sposobem magazynowania energii elektrycznej produkowanej przez panele fotowoltaiczne są baterie. Typowe rodzaje baterii stosowanych do magazynowania energii z fotowoltaiki to baterie litowo-jonowe, które są wydajne, mają długą żywotność i są łatwe w zarządzaniu.
• Systemy hybrydowe – magazynowanie energii z paneli fotowoltaicznych może obejmować zastosowanie systemów hybrydowych. Łączą one panele fotowoltaiczne z innymi źródłami energii, takimi jak turbiny wiatrowe czy wodne. Zintegrowane systemy hybrydowe mogą oferować większą niezależność energetyczną i mogą być bardziej efektywne w obszarach, gdzie warunki pogodowe dynamicznie się zmieniają.
• Technologie przepływowe – magazyny przepływowe są kolejną technologią stosowaną do magazynowania energii z paneli PV. Magazyny przepływowe są skalowalne i mogą przechowywać większe ilości energii w porównaniu do tradycyjnych baterii.
• Zarządzanie energią i inteligentne sieci – z rozwojem technologii zarządzania energią i inteligentnych sieci, magazynowanie energii z paneli fotowoltaicznych staje się bardziej zaawansowane. Inteligentne systemy zarządzania energią mogą optymalizować czas ładowania i rozładowania baterii w zależności od warunków pogodowych, cen energii i indywidualnych potrzeb użytkownika.
Przeczytaj też: Jak działa instalacja fotowoltaiczna z magazynem energii?
Magazynowanie energii wiatrowej
• Baterie litowo-jonowe – są szeroko stosowane do magazynowania nadmiaru energii w okresach, gdy wiatr wieje silnie, a produkcja energii jest wysoka. Mogą później uwalniać zgromadzoną energię, gdy wiatr słabnie lub w okresach jej zwiększonego zapotrzebowania.
• Magazyny przepływowe – znane również jako akumulatory przepływowe, przechowują energię w postaci elektrolitu, co umożliwia łatwe dostosowanie pojemności magazynowej do wymagań produkcji energii wiatrowej.
• Magazyny cieplne – energia wiatrowa może być wykorzystywana do generowania ciepła, które jest magazynowane w substancjach termicznych, takich jak woda lub kamienie. Może to być używane do ogrzewania budynków lub do produkcji energii elektrycznej przez turbinę parową.
• Elektroliza wodoru – wiatr może być używany do elektrolizy wody, produkując wodór, który jest później magazynowany i używany do zasilania ogniw paliwowych lub do produkcji syntetycznych paliw.
Metoda magazynowania energii – jak wybrać najlepszą?
Różne rodzaje magazynów energii dają szerokie możliwości ich wykorzystania. Wybór najbardziej optymalnej metody magazynowania jest zależny od czynników takich jak charakterystyka produkcji OZE, profil zużycia energii, wymagania finansowe, a także lokalne warunki środowiskowe. Rozważając różne opcje, kluczowe jest zrozumienie, że każda z nich ma swoje unikalne właściwości, które mogą lepiej odpowiadać na specyficzne wyzwania i potrzeby danego obszaru czy projektu.
W Electrum proponujemy rozwiązania dostosowane do konkretnych uwarunkowań danej instalacji OZE. Naszym celem zawsze jest efektywne i ekonomiczne zarządzanie zasobami energetycznymi. Kontakt
Instalacja hybrydowa i magazyny energii
Pionierskim projektem Electrum, realizowanym w ramach inicjatywy MESH4U, jest rozwój hybrydowego systemu magazynowania energii, który łączy różnorodne technologie – od elektrochemicznych po termiczne i mechaniczne.
Ten wielofunkcyjny węzeł magazynowania zapewnia nie tylko elastyczność w zarządzaniu zasobami energetycznymi dla przemysłu i gospodarstw domowych, ale również umożliwia optymalizację techniczną i ekonomiczną. Dzięki holistycznemu podejściu, system zwiększa efektywność wykorzystania odnawialnych źródeł energii oraz wspiera transformację w kierunku gospodarki niskoemisyjnej.
Przeczytaj też: Electrum uruchomiło pierwszy w Polsce hybrydowy system energo-informatyczny, integrujący OZE i magazyny energii
Przyszłość magazynowania energii
Nowoczesne magazyny energii, nazywane magazynami energii przyszłości, są w intensywnej fazie rozwoju. Jeśli chcesz wiedzieć więcej na ten temat, przeczytaj: Jak Magazyny Energii Rewolucjonizują Rynek OZE?
Magazynowanie energii a monitoring
W skutecznym magazynowaniu energii istotne jest nie tylko to, w jaki sposób daną energię magazynujemy, ale także to, w jaki sposób ten proces monitorujemy. Nasze innowacyjne rozwiązanie EMACS (Everything Monitoring and Control System), łączy zalety klasycznego systemu SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) z zaawansowanymi funkcjami analizy biznesowej, tworząc pierwszą i jedyną tak wielofunkcyjną platformę na polskim rynku.
Kluczowe korzyści z wdrożenia systemu EMACS obejmują:
- znaczną redukcję kosztów operacyjnych, dzięki ciągłemu monitoringowi infrastruktury obiektu
- natychmiastowe reagowanie na usterki, co często pozwala na ich zdalne rozwiązanie.
- poprawę procesów technologicznych poprzez automatyzację i wykorzystanie maksymalnych możliwości instalacji w danym momencie.
- efektywne monitorowanie produkcji energii, jej zużycie, magazynowanie i odbiór, co pozwala na precyzyjne określenie bilansu energetycznego instalacji przemysłowych.
Rodzaje magazynów energii – podsumowanie
W niniejszym artykule przedstawiliśmy różnorodne metody magazynowania energii i typy magazynów, które są nieodzownym elementem efektywnego wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Od systemów elektrochemicznych, przez termiczne, aż po mechaniczne – każda z tych technologii ma swoje miejsce w ekosystemie energetycznym, oferując specyficzne korzyści i możliwości.
