Poniższy artykuł opracowano w oparciu o stan prawny obowiązujący w momencie powstania tego artykułu.
Redakcja nie gwarantuje aktualności tekstu w okresie późniejszym, jak również nie ponosi odpowiedzialności za ew. stosowanie się do zawartych w nim zaleceń.

Magazynowanie energii a.d. 2020

Ubiegłoroczna nagroda Nobla w dziedzinie chemii została przyznana trójce naukowców za stworzenie i rozwój baterii litowo-jonowych. Laureatami zostali Amerykanin John B. Goodenough, Brytyjczyk M. Stanley Whittingham oraz Japończyk Akira Yoshino. Urodzony w 1922 r. Goodenough został najstarszym laureatem Nagrody Nobla w historii. Historia prac nad bateriami litowo-jonowymi sięga drugiej połowy lat 70. XX wieku, ma więc prawie pięćdziesiąt lat. Przez ten czas następował ciągły rozwój technologii. Począwszy od odkrycia właściwości dwusiarczku tytanu, który na poziomie molekularnym może gromadzić jony litu, dzięki czemu powstał materiał, który jest wyjątkowo bogaty w energię i nadaje się do stworzenia supernowoczesnych katod; poprzez zastąpienie dwusiarczku tytanu przez tlenek kobaltu, przez co podwojono moc litowo-jonowej katody. Aż po pomysł zastąpienia litu reaktywnego przez grafit, co ostatecznie sprawiło, że w 1991 r. pierwsze baterie litowo-jonowe trafiły na rynek konsumencki.
 

Obecnie najpowszechniej (ze względu na skład chemiczny elektrod) są stosowane następujące typy ogniw litowych:

NMC

– katoda jest zbudowana z tlenków litowo-niklowo-kobaltowych, anodą jest grafit;

LMO

– katoda jest zbudowana z tlenków litowo-magnezowych, anodą jest grafit;

LFP

– katoda jest zbudowana z tlenków litowo-żelazowych, anodą jest grafit;

LTO

– katodą jest tlenek litowo-kobaltowy, anodą jest grafit z tlenkiem litowo-tytanowym.

Do głównych odbiorców tego typu baterii należy przede wszystkim branża związana z elektroniką użytkową, przemysł motoryzacyjny, lotnictwo, medycyna i przemysł związany z wytwarzaniem, jak i wykorzystywaniem energii elektrycznej, w tym energii z odnawialnych źródeł.
 

W artykułach "Aby prądu nie zabrakło" (BzG 3/2016), "Niech żyje nam żarówka" (BzG 1/2016) oraz "Ekologicznie = ekonomicznie? Magazynowanie energii" (BzG 3/2016) poruszane były kwestie magazynowania energii z odnawialnych źródeł. Jak to wygląda obecnie? Niewątpliwie dużą wadą produkcji energii z odnawialnych źródeł jest ich nieprzewidywalność oraz niestabilność, co związane jest ze zmiennością pogody. Skutkuje to szybką zmianą mocy w czasie. W ciągu kilkunastu milisekund może ulec zmiana mocy elektrowni słonecznej. Kilka sekund wystarczy, aby zmienić moc wiatraka lub odłączyć całą farmę wiatrową. To w konsekwencji powoduje niestabilną pracę układów przesyłowych. Pojawiają się również przypadkowe, nie dające się przewidzieć odchylenia od wartości średniej, w systemie częstotliwości (z powodu niezbilansowania mocy czynnej) i/ lub napięcia (z powodu niezbilansowania mocy biernej).
 

Aby nie dopuścić do takich zakłóceń, stosuje się magazyny energii, które mogą szybko przyjąć lub oddać do sieci określoną porcję energii. W zależności od zainstalowanej mocy, pojemności energetycznej, usytuowania w systemie, magazyny energii możemy podzielić na:

  • niskoskalowe o mocach od kilkadziesiąt, kilkuset kW do kilku megawatów (najczęściej wykorzystywane w takich instalacjach są akumulatory chemiczne),
  • wielkoskalowe o mocach od kilkudziesięciu do 100 MW (najczęściej wykorzystywane są instalacje ze sprężonym powietrzem oraz ciekłym powietrzem lub masy wirujące),
  • megaskalowe o mocach kilkuset megawatów lub kilku GW (wykorzystywane są hydrozespoły, gdzie magazynem energii są zbiorniki wodne).

 

Magazyny energii mogą pełnić rolę elementu poprawiającego jakość energii i pracy operatora systemowego. Mogą też być źródłem wytwórczym, w przypadku zwiększonego zapotrzebowania lub niedoboru energii, a także magazynem energii w okresie małego zapotrzebowania po to, aby ją oddać w szczycie.
 

Pierwszym i do tej pory największym magazynem energii magazynowanej w akumulatorach w Polsce jest system oparty o baterie litowo-jonowe, o mocy 0,75 MW i pojemności 1,5 MWh, należący do Energa Operator, znajdujący się w okolicach Pucka. W tym roku ma być oddany do użytkowania magazyn hybrydowy o mocy 6 MW i pojemności 27 MWh przy farmie wiatrowej Bystra pod Pruszczem Gdańskim. W jego przypadku zastosowano dwa rodzaje akumulatorów: litowo-jonowe oraz kwasowo-ołowiowe. Projekt realizowany jest przez Energa Wytwarzanie we współpracy z PSE i Hitachi. Trwają też prace nad instalacją 4 magazynów litowo-jonowych, każdy o mocy 1,5 MW i pojemności 3,0 MWh, realizowane przez prywatnego inwestora w Oławie.
 

Dla porównania – bateria Tesli zasilająca tysiące domów w odległej części Australii Południowej, na obecnym etapie zawiera system akumulatorowy o mocy 100 megawatów, może przechowywać 129 MWh energii dostarczanej z turbin wiatrowych. Docelowo moc akumulatorów zostanie zwiększona do 150 MW. Z kolei u naszego zachodniego sąsiada pracuje magazyn energii o mocy 16,4 MW i pojemności 25 MWh, w oparciu o baterie ołowiowo-węglowe. Natomiast japońska firma NGK, pracująca nad akumulatorami sodowo-siarkowymi i która jest jedynym producentem dużych akumulatorów sodowo-siarkowych, zakończyła wdrażanie projektu w Abu Zabi, stolicy Zjednoczonych Emiratów Arabskich. Zastosowane w projekcie akumulatory mają sześciogodzinne rozładowanie przy znamionowej mocy wyjściowej i od 14 do 18 godzin przy 1/3 znamionowej mocy wyjściowej. Łączna moc instalacji wynosi 108 MW / 648 MWh. Oczekiwany okres eksploatacji wynosi 15 lat.
 

Jedną z najwydajniejszych metod magazynowania nadwyżek energii elektrycznej jest magazynowanie w ciekłym powietrzu – LAES. LAES nie podlega szczególnym wymaganiom geologicznym, co pozwala uniknąć żmudnych i skomplikowanych procedur uzyskania zezwoleń oraz otwiera możliwości szybkiego wdrożenia technologii. W procesie tym powietrze zostaje sprężone, a następnie schłodzone do momentu, kiedy z pierwotnej postaci gazowej przechodzi do ciekłego stanu skupienia. Skroplone powietrze jest następnie magazynowane. Jeżeli zapotrzebowanie na energię elektryczną w sieci wzrasta, za pomocą pompy podnoszone jest ciśnienie ciekłego powietrza, które następnie paruje. Znajdujące się pod ciśnieniem powietrze w postaci gazowej jest ogrzewane i może zostać wykorzystane do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach z turbinami na sprężone powietrze lub w elektrowniach gazowych. Brytyjska firma Highview Power ogłosiła projekt budowy „kriobaterii” o mocy 50 MW / 250 MW w październiku 2019 r. Jej Cryobattery chłodzą powietrze z otoczenia do temperatury poniżej -170°C, co powoduje 700-krotny spadek objętości od gazu do cieczy. To płynne powietrze jest następnie magazynowane w konwencjonalnych izolowanych zbiornikach pod niskim ciśnieniem. Przewidywalna żywotność systemu to ponad 30 lat. Do głównych zalet należy też duża skalowalność projektu. W oparciu o tę technologię można zbudować magazyny energii od 10 MW do 200 MW mocy wyjściowej i pojemności od 40 MWh do ponad 20.000 MWh. Brytyjczycy zapewniają, że to obecnie najtańsza technologia pozwalająca na przechowywanie energii przez dłuższy okres. Pierwszą na świecie przemysłową instalację magazynowania w technologii LAES firma Highview Power uruchomiła w Wielkiej Brytanii na składowisku odpadów w Bury koło Manchesteru. Posiada ona moc 5 MW i pojemność 15 MWh.
 

Kolejną firmą, która wykorzystuje powietrze - choć w inny sposób - jest Hydrostor. Hydrostor twierdzi, że jego instalacje A-CAES (ang. Advanced Compressed Air Energy Storage – magazynowanie energii za pomocą sprężonego powietrza) charakteryzują się najniższym kosztem zainstalowanym na 1 kWh dla długoterminowego magazynowania energii na dużą skalę. Według firmy, system posiada nieograniczoną liczbę cykli ładowania - rozładowania, a okres jego użytkowania wynosi ponad 30 lat. W lipcu ubiegłego roku firma uzyskała zgodę na budowę pierwszego systemu o 5 MW i pojemności 10 MWh. Magazyn zlokalizowano w dawnej kopalni cynku w pobliżu Strathalbyn w Australii Południowej. W listopadzie 2019 r. firma zakończyła prace nad komercyjnym systemem w Kanadzie. Projekt był opracowywany wspólnie z kanadyjskim NRStor od 2017 roku i ma szczytową moc wyjściową 1,75 MW. Pojemność magazynowa wynosi 10 MWh. Systemy CAES są obecnie dość dobrze rozwiniętą technologią. Z powodzeniem metoda ta wykorzystywana jest w elektrowni w Huntorf (Niemcy). Elektrownia ma moc 321 MW i może być ona dostarczana tylko przez 2 godziny ze względu na ograniczoną pojemność magazynu powietrza. Pojemność podziemnej kawerny wynosi ok. 300.000 m³. Podczas trybu sprężania zostaje uruchomiona sprężarka o mocy 60 MW, która wykorzystuje energię dostarczoną z sieci elektrycznej. Powietrze zostaje sprężone do 72 barów. Podczas opróżniania zbiornika ciśnienie spada do 46 barów. Elektrownia McIntosh (Stany Zjednoczone) o mocy 110 MW została zbudowana na terenach kopalni soli, w południowo-zachodniej Alabamie. Powietrze jest sprężane w pojedynczej kawernie o objętości 560.000 m³ do ciśnienia roboczego na poziomie 45-74 bara. Pełna moc może być utrzymywana przez ponad 26 godzin.
 

A może tak grawitacja? Wykorzystanie grawitacji do magazynowania energii sprowadza się do uwolnienia ciężaru i przekształcenia energii kinetycznej upadku w elektryczność. Tak właśnie działają wodne elektrownie szczytowo-pompowe.
Szwajcarski start-up Energy Vault proponuje bardziej "suchy" wariant magazynu energii. Wykorzystuje on w swoim projekcie sześcioramienny dźwig, wznoszący się na wysokość około 150 m oraz 5000 bloków kompozytowych (masa każdego z nich wynosi 35 ton). Energia elektryczna podnosi bloki, które tworzą wysoką wieżę, układaną dookoła dźwigu. Aby wytworzyć energię, bloki błyskawicznie spadają, zmieniając energię kinetyczną w elektryczną. Cały proces jest zautomatyzowany, a oprogramowanie pilnuje, by każdy blok był zawsze umieszczony we właściwym miejscu. Jak uważa Energy Vault, takie magazyny są skalowalne i mogą mieć pojemność 20 - 35 - 80 MWh. Uzyskiwana moc 4÷8 MW daje możliwość wytwarzania elektryczności przez 8 do 16 godzin.

 

 

Bez wątpienia prawidłowe działanie systemu energetycznego, działającego w oparciu zwłaszcza o odnawialne źródła energii, musi być "poparte" magazynem energii. Dobór odpowiedniego "power banku" to też nie lada wyzwanie.
Warto pamiętać, że mimo zachwytu (całkiem słusznego) nad rozwojem i możliwościami nowych magazynów energii, to wodne elektrownie szczytowo-pompowe stanowią aktualnie największe akumulatory energii potencjalnej . Ponad 90% magazynowanej mocy "drzemie" w wodzie.

 

 

Na zakończenie zestawienie przykładowych technologii przechowywania energii oraz możliwe zastosowania według technologii.

 

 

 

 

 

*

Black start - proces przywracania do działania elektrowni lub części sieci elektrycznej bez polegania na zewnętrznej sieci przesyłu energii elektrycznej.
Tabele na podstawie www.worldenergy.org