Przyszłość technik magazynowania energii elektrycznej

Analizując przemiany, jakie zachodzą w branży energetycznej, organizacja International Renewable Energy Agency (IRENA) oszacowała, że w 2050 roku nawet 80% energii elektrycznej będzie produkowanej ze źródeł odnawialnych, z czego ponad 50% w elektrowniach wiatrowych i fotowoltaicznych.

Warunkiem spełnienia się tej prognozy jest dostępność metod jej efektywnego długoterminowego magazynowania. Pozwoliłoby to na pokrywanie popytu na energię elektryczną w razie wahań jej podaży na przestrzeni dni, tygodni, a nawet miesięcy, tak charakterystycznych dla jej wytwarzania na przykład w elektrowniach wiatrowych albo słonecznych.

Generalnie w branży energetycznej zastosowania systemów magazynowania energii elektrycznej dzieli się na trzy kategorie. Do pierwszej zalicza się systemy gromadzenia energii w dużej skali na potrzeby sieci publicznych. Do drugiej należą te wykorzystywane do zaspokojenia potrzeb własnych w ramach mikrosieci podłączonych do sieci publicznych, a do trzeciej służące do gromadzenia energii elektrycznej pozyskanej ze źródeł odnawialnych w instalacjach na terenach bez dostępu do sieci publicznych, na przykład na słabo zaludnionych terenach wiejskich albo w kopalniach.

Omawiane zastosowania wiążą się z różnymi wymaganiami, stąd też nie wszystkie metody gromadzenia energii sprawdzają się w każdym z nich. Wyjaśniamy to na przykładach wybranych zastosowań w zakresie bilansowania podaży i popytu energii w sieci publicznych: rezerwy pierwotnej (frequency containment reserve), rezerwy wtórnej (frequency restoration reserve), wyrównywania dobowej zmienności obciążeń (load leveling) i obecnie najpopularniejszych zasobników energii: elektrowni szczytowo-pompowych, systemów magazynowania energii w sprężonym powietrzu, kinetycznych zasobników energii (Flywheel energy Storage, FES) oraz zasobników akumulatorowych.

Elektrownie szczytowo-pompowe i zasobniki CAES

Elektrownie szczytowo-pompowe to najbardziej rozpowszechnione magazyny energii elektrycznej w dużej skali, a zarazem jedne z najdłuższą historią - pierwsze tego typu instalacje uruchomiono w latach 90. XIX wieku. Dzięki temu obecnie pod względem technicznym są dopracowane i raczej w przyszłości nie należy oczekiwać, aby w dziedzinie ich konstrukcji nastąpił przełom.

Również najważniejsze parametry tych instalacji nie ulegną znaczącej poprawie. Wśród zalet elektrowni szczytowo-pompowych wymienia się: małą szybkość samorozładowania (maks. 2% dziennie), dużą sprawność całkowitą (round-trip efficiency) w zakresie 70-85%, dużą pojemność, długi czas magazynowania energii, elastyczność uruchamiania i zatrzymywania pracy, długi okres eksploatacji, średnio 40 - 60 lat, a nawet dłużej przy odpowiednim poziomie konserwacji i niski koszt magazynowania energii.

Do wad natomiast zalicza się: małą gęstość energii, duży koszt początkowy inwestycji, długą budowę i długi czas oczekiwania na zwrot kosztów inwestycji.

Systemy gromadzenia energii w sprężonym powietrzu CAES (Compressed Air Energy Storage) dawniej cieszyły się sporym zainteresowaniem, które jednak w ostatnich latach zaczęło spadać. Znajduje to odzwierciedlenie w malejącej liczbie inwestycji w budowę magazynów energii tego typu. W przyszłości się to nie zmieni, gdyż znacznie większym zainteresowaniem, wiążącym się z większymi nakładami na rozwój, cieszą się inne technologie. Nie wpłynie na to nawet fakt, że koszt budowy magazynów energii CAES będzie malał.

Rezerwa pierwotna i wtórna oraz zasobniki FES

Tematy numerów APA w przyszłości

Z powodu małej dynamiki pracy elektrownie szczytowo-pompowe oraz systemy gromadzenia energii w sprężonym powietrzu nie sprawdzą się jako rezerwa pierwotna wymagana do likwidacji odchyleń częstotliwości od wartości znamionowej w celu stałego utrzymania zbilansowania mocy w całym połączonym synchronicznie systemie.

Czas aktywacji takiej rezerwy zwykle nie powinien bowiem przekraczać 30 sekund. Oba typy magazynów energii nadają się z kolei na rezerwę wtórną. Korzysta się z niej w celu przywrócenia częstotliwości do wartości znamionowej i zbilansowania mocy do wymaganej wartości w razie nagłego zaburzenia równowagi systemu. Czas jej aktywacji zazwyczaj nie może być dłuższy, niż 15 minut.

Kinetyczne zasobniki energii FES szybko się ładują. Mają długą żywotność, dzięki temu że ich pojemność znamionowa nie zależy od liczby cykli ładowania / rozładowania oraz dużą gęstość energii, chociaż w porównaniu z zasobnikami bateryjnymi jest ona mała. Generalnie mają niskie wymagania w zakresie konserwacji, jednak ich słabym punktem są łożyska.

Łatwo określić ich stopień naładowania. Ulegają niestety szybkiemu samorozładowaniu, nawet do 15% w godzinę. Koszt ich instalacji jest wysoki. Przewiduje się jednak, że w przyszłości będzie spadał, w miarę jak ich żywotność będzie wydłużana. Technologia zasobników energii FES dynamicznie się rozwija. Prace prowadzone są w kilku kierunkach, z których główne to poszukiwanie nowych materiałów konstrukcyjnych i ograniczanie strat na tarcie w łożyskach.

Zasobniki tego typu sprawdzą się jako rezerwa pierwotna. Do wyrównywania dobowej zmienności obciążeń występujących w systemie elektroenergetycznym ich użycie nie jest opłacalne. W tym zastosowaniu używa się już akumulatorów sodowo-siarkowych, a w przyszłości będzie się korzystać z akumulatorów ołowiowo-kwasowych i litowo-jonowych.

Monika Jaworowska

Źródła zdjęć w artykule: ABB, Energa, Tauron