Jaki magazyn energii wybrać w zależności od wielkości instalacji PV i potrzeb aplikacyjnych?

O pożądanej pojemności magazynu decydują w pierwszej kolejności potrzeby związane z konsumpcją energii. Planując magazyn energii, musimy uwzględnić specyfikę odbiorników, takich jak komputery, oświetlenie, inne urządzenia oraz sumaryczną wartość zużywanej przez nie energii. W niektórych przypadkach odbiorniki konsumować będą bardzo dużą, chwilową, wartość energii, przekraczającą zwykle moc instalacji PV. Dotyczy to m.in. silników elektrycznych wymagających dużego prądu w momencie rozruchu. W tym przypadku interesować nas mogą magazyny o niekoniecznie dużej pojemności, ale pozwalające oddawać zgromadzoną energię bardzo szybko (np. superkondensatory). Taki rodzaj zastosowań magazynu energii nazywamy buforowym. W większości przypadków oczekujemy jednak od naszej instalacji możliwości magazynowania jak największej energii pozyskiwanej z instalacji PV, po to, by korzystać z niej w określonych godzinach. Nie zawsze wieczornych i nocnych, bo prąd z magazynu może być też czerpany w pewnych porach dnia, w czasie obowiązywania najwyższych stawek za energię. Wówczas potrzebujemy rozwiązań do magazynowania o charakterze cyklicznym. Magazyny energii mają szereg cech stanowiących o ich atrakcyjności w zależności od naszych oczekiwań względem instalacji PV oraz pełnionej przez nie funkcji.

Czy warto inwestować w magazyn energii?

W jakich przypadkach opłaca się inwestować w magazyny energii? W tabeli opisujemy kilka najważniejszych powodów, dla których warto zdecydować się na ten krok.

Instalacja wyspowa (off-grid) to rozwiązanie, w którym instalacja fotowoltaiczna nie ma połączenia z siecią operatora. Instalacja podłączona do sieci operatora (on-grid) może być przełączana w tryb off-grid w przypadku utraty zasiania, jednak wymaga to wprowadzenia do niej dodatkowych układów i związanych z tym inwestycji.

Patrząc na magazyny energii z punktu widzenia operatora energetycznego ich istnienie po stronie prosumentów (czyli producentów energii z instalacji PV i jednocześnie konsumentów energii z sieci energetycznych) także ma uzasadnienie i jest wysoce pożądane. Wyrównywanie obciążeń sieci poprzez stosowanie magazynów energii wpływa na wyższą efektywność systemu energetycznego, równoważy skoki zapotrzebowania. Wykonane przez niemiecki Instytut Fraunhofera badanie wpływu zasobników energii w domowych systemach PV pokazało, że dzięki nim możliwa jest redukcja szczytów podaży prądu w skali całego systemu od 20 do 40%. Istotne jest także zwiększenie możliwości przyłączania nowych instalacji solarnych do sieci. Według niemieckich badaczy można o 66% zwiększyć liczbę systemów fotowoltaicznych, o ile wszystkie będą wyposażone w przyjazny dla sieci system magazynowania.

Możliwe typy magazynów energii

Energia może być magazynowana na wiele sposóbów. Dostępne są magazyny energii w postaci mechanicznej, takie jak elektrownie szczytowo-pompowe czy używane często w energetyce wiatrowej magazyny sprężonego powietrza, chemiczne (ogniwa paliwowe, rozwiązania umożliwiające tworzenie wodoru lub metanu) czy termiczne, polegające na akumulacji ciepła. Ze względów praktycznych w instalacjach przydomowych lub firmowych najczęściej wykorzystuje się magazyny elektrochemiczne, czyli akumulatory. Warto także wspomnieć o superkondensatorach, czyli magazynach energii charakteryzujących się niezwykle krótkim czasem rozładowania. Mogą być one pomocne wszędzie tam, gdzie dochodzi do dużych obciążeń o charakterze impulsowym, jak chociażby w przypadku startu silnika elektrycznego pobierającego w momencie uruchomienia bardzo duży prąd. Obecnie superkondensatory w zastosowaniach cyklicznych (przechowywanie energii produkowanej w dzień na potrzeby nocne) nie stanowią w fotowoltaice alternatywy dla magazynów chemicznych, czyli akumulatorów, z uwagi m.in. na wysoki koszt w przeliczeniu na jednostkę magazynowanej energii.

Magazynowanie w akumulatorach chemicznych polega na zamianie energii elektrycznej w chemiczną podczas ładowania i energii chemicznej w elektryczną podczas używania zgromadzonej energii. Istotnymi kryteriami przy wyborze odpowiedniego dla własnych potrzeb rozwiązania są: pojemność, gęstość mocy i energii, sprawność magazynowania, liczba cykli ładowania i rozładowywania oraz oczywiście koszt. Gęstość mocy i energii oznacza maksymalną dostępną energię oraz maksymalną moc na jednostkę objętości lub masy. Parametr sprawności magazynowania energii mówi nam, ile tracimy w wyniku procesu ładowania i rozładowywania. W zależności od użytej technologii straty związane z przechowywaniem mogą się znacznie różnić. W przypadku rozwiązań cyklicznych dla fotowoltaiki poszukujemy akumulatorów, które cechuje jak największa liczba cykli ładowania i rozładowania. Kupując akumulator przeznaczony głównie do pracy buforowej, ale używając go do pracy cyklicznej, czyli równoważenia dziennej produkcji prądu z zapotrzebowaniem nocnym, popełnimy błąd. Taki akumulator bardzo szybko ulegnie zużyciu.

Dominującymi na rynku typami akumulatorów są obecnie akumulatory litowo-jonowe oraz różne rodzaje akumulatorów kwasowo-ołowiowych, które oferowane są przez znaczną grupę producentów w wielu odmianach technologicznych. Rozwiązania litowo-jonowe mogą być dostarczane od razu z inwerterem. Dość drogie pojedyncze jednostki akumulatorów litowo-jonowych zapewniają zwykle dużą pojemność od kilku do kilkunastu kWh pojemności. W przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych zazwyczaj jednostki tańsze łączone są w baterie akumulatorów, by zapewnić właściwą pojemność.

1. Akumulatory litowo-jonowe

Technologia magazynowania energii w akumulatorach litowo-jonowych (Li-Ion) jest obecnie najpopularniejsza w zastosowaniach PV i pozwala uzyskać sprawność gromadzenia energii na poziomie 80%. Ponadto akumulatory litowo-jonowe zapewniają wysoką gęstość przechowywanej energii. Oznacza to, że przy niższej wadze akumulatora można jej zgromadzić więcej. Podobnie wysoka gęstość mocy charakteryzująca te urządzenia pozwala akumulatorowi o małej pojemności na ładowanie i rozładowywanie dużymi prądami. Ma to istotne znaczenie, kiedy działa jednocześnie wiele odbiorników energii. Duża gęstość mocy ułatwia podtrzymywanie działania wielu urządzeń, choć oczywiście konieczne jest także zapewnienie odpowiedniej pojemności. Kolejną zaletą jest duża liczba cykli ładowania i rozładowania decydująca o żywotności tych akumulatorów. Technologia litowo-jonowa ma także wady, do których należy wysoka cena pojedynczej jednostki oraz konieczność ścisłego kontrolowania parametrów procesu ładowania.

2. Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe

Urządzenia litowo-żelazowo-fosforanowe (Li-FePO4) są rodzajem akumulatorów litowo-jonowych (Li-Ion) o dużej mocy. Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe są nowszymi akumulatorami, które zyskały uznanie z powodu mniej toksycznych i tańszych materiałów, jak również ze względu na ich stabilność przy wyższych temperaturach. Akumulatory te cechuje odporność na samorozsamorozładowanie, duża pojemność i szybki proces ładowania. Dużym plusem tych ogniw jest także ich czas eksploatacji, który osiąga kilku tysięcy cykli ładowania i rozładowania.

3. Akumulatory kwasowo-ołowiowe

Ten rodzaj akumulatorów oparty jest na ogniwach galwanicznych zbudowanych z elektrody ołowiowej lub dwutlenku ołowiu oraz roztworu wodnego kwasu siarkowego, spełniającego funkcję elektrolitu.

3.1. Klasyczne akumulatory kwasowo-ołowiowe

Te wciąż popularne akumulatory, stosowane w tradycyjnych samochodach spalinowych, ze względu na liczne ograniczenia są mniej chętnie stosowane w instalacjach fotowoltaicznych. Główną wadą jest tu ograniczona żywotność tego akumulatora w zastosowaniach cyklicznych. W instalacjach fotowoltaicznych dość często dochodzi do całkowitego lub znacznego rozładowania akumulatorów, co w przypadku tych rozwiązań powoduje znaczący spadek żywotności. Ponadto akumulator ten w zastosowania PV należy co jakiś czas poddawać konserwacji – okresowo przeprowadzać wyrównanie poziomu elektrolitu i od czasu do czasu mierzyć jego gęstość za pomocą areometru. W pewnych warunkach ładowania akumulator ten może wydzielać wodór, co powoduje konieczność odpowietrzenia go w celu uwolnienia oparów. Jednak ich podstawową zaletą jest stosunkowo niska cena. Ponadto bardzo dobrze znoszą krótkotrwały pobór bardzo dużego prądu (stąd ich popularność jako akumulatorów rozruchowych). Nie wymagają też precyzyjnej kontroli ładowania i dobrze znoszą przeładowanie.

3.2. Akumulatory żelowe

Elektrolit w tej konstrukcji otrzymuje się poprzez zmieszanie kwasu siarkowego z krzemionką, co pozwala uzyskać konsystencję żelową. Stosowane zarówno w rozwiązaniach do podtrzymywania energii instalacji komputerowych (UPS), jak i w instalacjach fotowoltaicznych, są bardziej odporne od klasycznych rozwiązań kwasowo-ołowiowych na efekt rozwarstwienia elektrolitu podczas wolnego ładowania.

Akumulatory żelowe cechują się wysoką sprawnością ładowania i są mniej podatne na starzenie w porównaniu do klasycznych akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Dobrze znoszą dłuższy okres, w którym nie są całkowicie naładowane. Ich wadą w stosunku do AGM są mniejsze moce uzyskiwane podczas rozładowania dużymi prądami. Źle znoszą także głębokie rozładowanie, które trwa dłużej niż 24 godziny. Nie nadają się równiez do pracy w bardzo niskich temperaturach.

3.3. Akumulatory AGM

W akumulatorach AGM (absorptive glass mat) elektrolitem nasączona jest mata z włókna szklanego. Pozwala to zapobiegać wyciekowi elektrolitu z uszkodzonych mechanicznie akumulatorów oraz poprawia moc maksymalną akumulatora ze względu na niską rezystancję wewnętrzną tego typu konstrukcji.

W przeciwieństwie do klasycznych akumulatorów kwasowo-ołowiowych można je montować w każdej pozycji. AGM w wydajny sposób umożliwiają odprowadzanie ciepła wytwarzanego podczas przepływu prądu. Ważną zaletą akumulatorów AGM jest wysoka gęstość gromadzonej energii. Akumulatory te nie dorównują jednak parametrom akumulatorów żelowych w zastosowaniach cyklicznych. Istotną wadą AGM jest mała liczba cykli pełnego naładowania i rozładowania w czasie ich życia.

Podłączenie magazynu energii: zwykły inwerter czy hybrydowy?

Istotnym wyborem, przed którym stoi prosument zdecydowany na podłączenie do swojej instalacji PV magazynu energii, jest rodzaj podłączenia do sieci. Podłączenie to następuje poprzez inwerter, który zamienia prąd przechowywany w akumulatorach na prąd przemienny. Zazwyczaj, jeżeli nie posiadamy jeszcze instalacji fotowoltaicznej, najlepszym wyborem będzie magazyn, w który prąd konwertowany jest na przemienny jednocześnie z tym pobieranym z produkcji PV. Rozwiązanie to jest tańsze, bo w całej instalacji wykorzystywany jest tylko jeden wspólny inwerter hybrydowy służący zarówno do pobierania energii z magazynu energii, jak i z paneli fotowoltaicznych i przekształcający go na prąd przemienny.

Jeżeli instalacja już istnieje i chcemy do niej podłączyć magazyn energii, wówczas zmuszeni jesteśmy do już istniejącego inwertera dokupić kolejny, odpowiedzialny za konwersję prądu stałego przechowywanego w akumulatorach na prąd przemienny stosowany w sieci.

Jak szacować opłacalność inwestycji?

W scenariuszu cyklicznym, czyli wówczas, gdy energię wyprodukowaną w dzień przeznaczamy na konsumpcję nocną albo w czasie obowiązywania wyższych stawek za energię przy rozliczaniu dwustrefowym, istotnym parametrem oceny opłacalności inwestycji są potrzeby konsumpcyjne. W przypadku odbiorcy domowego należy policzyć je sumując pobory poszczególnych odbiorników. Przykładowo, jeżeli sumaryczna moc źródeł światła wynosi 100 W i zamierzamy z nich korzystać minimum 5 godzin na dobę, to daje nam to wartość 500 Wh. W przypadku laptopa przyjmuje się, że jego średnia moc na potrzeby pracy biurowej wynosi około 50 W, a zatem praca przez 8 godzin daje nam 400 Wh. Sumując w ten sposób wartości cząstkowe, otrzymamy łączny zapas potrzebnej energii, którą powinien zapewnić nam magazyn. W sieci dostępne są dedykowane kalkulatory magazynu energii, które ułatwią nam to zadanie. W ten sposób oszacujemy koszt potrzebnych akumulatorów. Do kosztów tych należy także doliczyć wydatki na inwerter oraz usługę instalacji.

Dla zastosowań cyklicznych, biorąc pod uwagę koszt za 1 kWh najbardziej opłacalną, pomimo dużego kosztu początkowego, wydaje się być inwestycja w magazyny oparte na bateriach litowo-jonowych. Rozwiązanie to, przy adekwatnej do potrzeb prosumenta wysokiej pojemości, oferuje także dość długi okres gwarancji od 10 do 15 lat, co wynika z najwyższej trwałości tego rodzaju ogniw przy wielokrotnym ładowaniu i rozładowywaniu. Wygoda związana z brakiem awarii i brakiem potrzeby wymiany zużywających się elementów instalacji jest niewątpliwie istotną wartością dodaną wyboru akumulatorów litowo-jonowych.

Kompendium wiedzy publikowane wspólnie z partnerem merytorycznym Zeneris Projekty.

Zeneris Projekty
www.zenerisprojekty.pl