Od kilkudziesięciu lat obserwujemy coraz intensywniejszy rozwój technik pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych: wody, słońca, wiatru, geotermii i biomasy. Skutkuje to wyraźnym wzrostem procentowego jej udziału w całkowitym zużyciu – w 2017 r. po raz pierwszy w historii na europejskim rynku] ilość energii pozyskanej z OZE była wyższa niż z węgla. Wynika to w głównej mierze z postępu technologii, ale też z popularyzacji źródeł odnawialnych i rosnącej świadomości w zakresie ochrony środowiska.

Choć jednak postęp technologiczny niesie ze sobą spadek cen energii z OZE, to wciąż jest ona droga: jedna MWh uzyskana ze słońca jest cztery razy droższa niż z węgla kamiennego, a z turbin wiatrowych – ponad dwa razy droższa. Kolejną przeszkodą w zastąpieniu źródeł tradycyjnych (głównie paliw organicznych) przez odnawialne jest brak przewidywalności produkcji takiej energii. Działalność farm wiatrowych i fotowoltaicznych w dużej mierze zależy od pogody oraz pory doby i pory roku – zimą panele fotowoltaiczne wytwarzają mniej energii niż latem, a elektrownie wiatrowe generują więcej energii nocą. Ta zmienność jest także przyczyną gwałtownych wzrostów produkcji energii elektrycznej. Aby zatem elektrownie OZE mogły ustalić produkcję na stałym poziomie, konieczne jest stosowanie odpowiednich metod magazynowania energii i jej dostarczania do sieci.

Magazyny energii

O ile sposoby pozyskania energii elektrycznej z OZE są już dość dobrze opracowane, o tyle jej magazynowanie to kwestia trudniejsza. Naukowcy na całym świecie nieustannie poszukują nowych lub udoskonalonych form gromadzenia i przechowywania energii ze źródeł odnawialnych. Nadrzędnym celem jest efektywność (sprawność) i opłacalność. Istnieje wiele różnorodnych metod magazynowania energii, ale żadna z nich nie zapewnia 100-procentowego jej odzysku.

Metody gromadzenia energii można podzielić na dwie główne grupy: bezpośrednie (akumulacja energii w końcowej postaci użytkowej) i pośrednie (akumulacja energii w postaci nośnika, z którego końcową formę użytkową uzyskuje się w wyniku ponownej konwersji energii). Najczęściej stosowanymi formami jej magazynowania są układy hydropompowe (elektrownie szczytowo-pompowe), sprężanie powietrza oraz akumulatory (tzw. tradycyjne, np. litowo-jonowe). Poza tym istnieje szereg mniej rozpowszechnionych

form, jak koła zamachowe, magazynowanie wodoru, akumulatory ciepła (solankowe, piaskowe), akumulatory z ciekłą elektrodą, superkondensatory i ciekłe powietrze. Co jakiś czas serwisy specjalistyczne informują o stworzeniu nowych, innowacyjnych metod magazynowania energii, np. balonów na dnie morza, akumulatorów glebowych czy materiałów gromadzących energię (azobenzen).

Dla przemysłu

Wymienione metody różnią się od siebie nie tylko wykorzystywanymi nośnikami energii, ale też rozmiarami, nakładami potrzebnymi do utworzenia magazynu i warunkami, jakie należy spełnić, aby mógł on funkcjonować. W przypadku większych systemów elektroenergetycznych najważniejszą technologią wspierającą integrację niestabilnych źródeł OZE z siecią są elektrownie szczytowo-pompowe. Ich nazwa wywodzi się z funkcji, jaką pełnią w systemie elektroenergetycznym. Gdy bowiem energia jest tania, woda przepompowywana jest z dolnego zbiornika do górnego, natomiast w okresie wzmożonego (szczytowego) zapotrzebowania – odzyskiwana jest w procesie odwrotnym: woda przepływa do niższego zbiornika przez turbinę, która napędza generator.

W takich zasobnikach można uzyskać bardzo dużą ilość energii oraz mocy. Wartości te zależą od wielkości zbiorników i różnicy poziomów. Sprawność elektrowni szczytowo-pompowych wynosi ok. 70–85%, jednak możliwość zastosowania tego rodzaju magazynów energii jest mocno uzależniona od warunków hydrogeologicznych terenu; bardzo wysokie są też koszty inwestycji. Problemy związane ze znalezieniem odpowiedniej lokalizacji na budowę elektrowni wymagają szukania nowych rozwiązań. Jednym z nich jest np. niemiecki pomysł na umiejscowienie dolnego zbiornika pod ziemią w nieczynnych kopalniach.

System magazynowania energii Fronius Symo Hybrid

Alternatywą dla elektrowni szczytowo-pompowych są systemy pneumatycznego magazynowania energii – CAES (ang. Compressed Air Energy Storage). Energia elektryczna o niskim koszcie, dostępna w okresie pozaszczytowym (np. w nocy), używana jest tu do sprężania powietrza i tłoczenia go do podziemnych magazynów. Zbiornikami używanymi na potrzeby systemu CAES są opuszczone kopalnie, kawerny solne, struktury porowate lub specjalnie do tego celu przystosowane zbiorniki wytworzone w sposób sztuczny. Powietrze sprężane jest do ciśnienia rzędu 70–100 atmosfer. Kiedy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest wysokie, powietrze jest uwalniane ze zbiornika i używane do wytwarzania energii za pomocą turbiny spalającej paliwo. Zasobnik pozwala na magazynowanie bardzo dużych ilości energii, a jego sprawność dochodzi do 85%.

Dla firm i gospodarstw domowych

Najprostszą, najtańszą i najbardziej rozpowszechnioną formą magazynowania energii są akumulatory wielokrotnego ładowania (czyli baterie). Stosuje się je zarówno na skalę przemysłową, jak i w mniej wymagających zastosowaniach – do zasilania małych i średnich zakładów produkcyjnych lub budynków mieszkalnych.

Akumulatory umożliwiają przechowywanie energii w postaci elektrochemicznej, łatwej do odzyskania. Są wygodnym magazynem, ponieważ ich ładowanie i rozładowywanie nie wymaga dodatkowej infrastruktury. W akumulatorach energia elektryczna jest gromadzona w postaci energii chemicznej, przy czym elektrody i elektrolit biorą udział w zachodzących reakcjach chemicznych, co skutkuje zmianami parametrów technicznych i ograniczeniem trwałości akumulatorów. Pozwalają odzyskać do 85% włożonej energii. Ich główną wadą jest ograniczona żywotność. W trakcie ładowania i rozładowywania stopniowo tworzą się w elektrolicie kryształy wytrąconych pierwiastków. Z czasem stają się na tyle duże, że zaczynają uszkadzać konstrukcję akumulatora.

Ze względu na rodzaj elektrolitu można wyróżnić m.in. następujące rodzaje akumulatorów: sodowo-siarkowe, litowo-jonowe, litowo-polimerowe, kwasowo-ołowiowe. Wiele innych typów baterii znajduje się w fazie przedkomercyjnej.

W skali mini i maksi

Akumulatory znajdują zastosowanie w niezliczonych obszarach – stanowią np. podstawowe źródło zasilania przenośnych urządzeń elektronicznych, samochodów elektrycznych, a w krajach wysoko rozwiniętych pełnią też funkcję banków energii w domowych instalacjach prosumenckich.

W maju 2015 r. Tesla – potentat w branży samochodów elektrycznych – zaprezentowała nowe produkty pod nazwą Powerwall: baterie o pojemności 7 i 10 kWh przeznaczone do konsumenckich instalacji fotowoltaicznych. Z kolei ABB, specjalista w zakresie technologii związanych z wytwarzaniem, przesyłem i magazynowaniem prądu, do zastosowań na mniejszą skalę oferuje m.in. system REACT-4.6-TL – jednofazowy falownik fotowoltaiczny podłączany do sieci, zdolny do magazynowania energii w akumulatorze litowo-jonowym o pojemności użytecznej 2,0 kWh, który pozwala na dodawanie modułów akumulatorowych w celu zwiększenia zdolności magazynowania energii – maksymalnie do 6 kWh przy trzech modułach. Dla większych odbiorców ABB stworzyła modułowe systemy banków energii Energy Storage Module (ESM). To cała gama produktów, które można dobrać odpowiednio do potrzeb.

Także Fronius ma w swojej ofercie system magazynowania energii o pojemności 4,5–12 kWh – Fronius Symo Hybrid. Jest to trójfazowy falownik opracowany w technologii litowo-żelazowo-fosforanowej, która gwarantuje długą żywotność, krótkie czasy ładowania i dużą głębokość rozładowania. Dzięki temu, że system jest podłączony do obwodu DC, nie zachodzi wielokrotna transformacja między AC i DC (prądem zmiennym i stałym).

System magazynowania energii ABB REACT-4.6-TL z komponentami elektronicznymi

Z kolei Schneider Electric opracował urządzenie o nazwie EcoBlade – skalowalny system magazynowania energii przeznaczony do użytku m.in. w infrastrukturze IT, przemyśle i sektorze usługowym oraz w sieciach elektroenergetycznych. Jest to w pełni elastyczny system magazynowania energii oparty na akumulatorach litowo-jonowych składający się z niedużych i lekkich komponentów, z których każdy wyposażony jest w inteligentny moduł baterii i może pracować również w trybie autonomicznym.

Baterie elektrochemiczne wykorzystywane są także jako przemysłowe instalacje o dużej pojemności i mocy do kilkudziesięciu megawatów, służące m.in. do integracji OZE z systemem elektroenergetycznym. Jako przykłady takiego ich wykorzystania można wskazać instalację Duke Energy w Teksasie w USA (baterie kwasowo-ołowiowe) o mocy 36 MW i pojemności 238 MWh do współpracy z farmą wiatrową 153 MW, a także instalację w Rokkasho w Japonii (baterie sodowo-siarkowe) o mocy 34 MW i pojemności 238 MWh, współpracującą z farmami wiatrowymi o łącznej mocy 51 MW. W Polsce we Władysławowie realizowana jest – w ramach programu Generator Koncepcji Ekologicznych (Gekon) – instalacja kontenerowych baterii litowo-jonowych o pojemności 1,5 MWh i mocy 0,75 MW. Kolejna warta uwagi inwestycja – na razie w fazie projektu – to największy w Polsce hybrydowy bateryjny magazyn energii elektrycznej składający się z dwóch zespołów baterii: litowo-jonowych oraz kwasowo-ołowiowych o łącznej mocy ok. 6 MW i pojemności ok. 27 MWh. Zamierzają go stworzyć fir-my Energa, Hitachi i Polskie Sieci Elektroenergetyczne przy farmie wiatrowej Bystra (woj. pomorskie) należącej do Grupy Energa.

Superkondesatory

Konkurencyjnym rozwiązaniem wśród magazynów energii są układy związane z gromadzeniem energii w polu elektrycznym (w których nie zachodzą reakcje chemiczne), czyli kondensatory. W tradycyjnych rozwiązaniach charakteryzują się małą ilością gromadzonego ładunku elektrycznego, czyli niską gęstością energii.

Superkondensatory jednak (nazywane również ultrakondensatorami), czyli kondensatory elektrolityczne o specyficznej budowie, gromadzą ładunki elektryczne w obrębie podwójnej warstwy elektrycznej, która powstaje na granicy ośrodków elektroda-elektrolit. Zastosowanie nowoczesnych nanotechnologii pozwala na wytwarzanie elektrod w postaci wielościennych nanorurek węglowych, co umożliwia osiągnięcie olbrzymich powierzchni właściwych (przekraczających nawet 2000 m2 na gram elektrody) i zapewnia ogromne pojemności rzędu kilku tysięcy faradów.

Superkondensatory charakteryzują się niską gęstością energii, bardzo dużą gęstością mocy (pobór dużych energii w krótkim czasie), wysoką sprawnością (przekraczającą nawet 95%), bardzo dużą trwałością (wyrażaną zarówno w postaci czasu eksploatacji, szacowanego na 20 lat, jak i dużej liczby cykli ładowania-rozładowania: do ok. miliona), krótkimi czasami uzupełniania energii (rzędu kilku minut), możliwością pracy w szerokim zakresie temperatur (od -40°C do 65°C), niewielką degradacją własności użytkowych przy wielokrotnych cyklach ładowania i rozładowania, a także małą szkodliwością dla środowiska. Są to więc urządzenia niemal doskonałe. Mają jednak istotną wadę, jaką jest ich wysoka cena. Pozostaje nadzieja, że przy obecnym bardzo szybkim rozwoju nanotechnologii sytuacja ta ulegnie zmianie.