Silny rozwój energetyki opartej o odnawialne źródła energii rodzi wyzwania związane z jej magazynowaniem. Pomimo oczywistej zalety w postaci produkcji czystego prądu, elektrownie oparte o te źródła mają jedną dużą wadę – są niestabilne. Dzisiaj nawet jakbyśmy bardzo chcieli – a chcemy, nie możemy w całości produkować prądu z OZE, ponieważ nie jest on w stanie dostarczać nam energii przez cały czas. Elektrownie wiatrowe i słoneczne mogą wytwarzać prąd tylko wtedy, gdy pozwalają na to warunki pogodowe. W związku z tym rekordowe dni, w których ich moc pozwala na pokrycie nawet jednej trzeciej zapotrzebowania na energię w Polsce, przeplatają się z dniami, gdy produkcja jest bardzo niska. Wtedy do gry wchodzą tradycyjne elektrownie, które pracują niezależnie od warunków.
Problemy energetyki odnawialnej
Żeby uzmysłowić czytelnikowi, do czego może doprowadzić brak stabilizacji sieci energetycznej, pochylmy się na chwilę nad sytuacją, do jakiej doszło w Teksasie na początku tego roku.
Przez ostatnie lata, podobnie jak Polska, Teksas przeżywa gwałtowną rewolucję energetyczną. Dobre warunki pogodowe sprawiają, że jest świetnym miejscem do zakładania elektrowni wiatrowych. Wielkie inwestycje w tę branże doprowadziły do tego, że zdecydowaną większość energii produkuje się tam właśnie w ten sposób. Z tego powodu oraz za sprawą małej ilości połączeń energetycznych z sąsiednimi stanami, Teksas na co dzień boryka się z problemem nadwyżki energii w sieci. Taki stan doprowadził do tego, że firmy energetyczne nakłaniają odbiorców do eksploatacji domowych urządzeń w nocy, gdy energii jest najwięcej, oferując im w tym czasie energię za darmo.
Problem z nadwyżką, w mgnieniu oka zmienił się w problem z jej niedoborem. Wszystko za sprawą warunków pogodowych, które nawiedziły ten stan na początku roku. Brak wiatru i marznący deszcz wyłączył z użytkowania zdecydowaną większość turbin wiatrowych i spowodował ogromne problemy z produkcją energii, co ostatecznie doprowadziło do tego, że miliony mieszkańców w środku zimy zostało pozbawionych dostępu do energii.
Historia Teksasu uzmysławia nam jak ważna jest stabilność sieci, a magazynowanie energii może nam pozwolić rozwiązać ten problem.
Magazyny energii
System magazynowania energii polega na zachowaniu nadwyżek energii, gdy elektrownie produkują ją w nadmiarze i ponownego jej udostępnienia, gdy w sieci występuje niedobór. Wyróżnia się pięć głównych technologii magazynowania energii:
- Mechaniczne (elektrownie szczytowo – pompowe, koła zamachowe)
- Elektrochemiczne (baterie i akumulatory)
- Chemiczne (ogniwa paliwowe)
- Termiczne (akumulatory ciepła)
- Elektryczne (kondensatory)
- Magazyny energii nie są oczywiście czymś nowym. Elektrownie szczytowo-pompowe są wykorzystywane już od ponad 100 lat, a z akumulatorów litowo-jonowych korzystamy na co dzień w urządzeniach domowych.
W zależności od sposobu ich wykorzystania, magazyny energii dzielimy na:
- Krótkoterminowe, w których czas ładowania i rozładowania jest bardzo krótki (od mniej niż sekundy do kilkunastu minut). Wykorzystywane są zazwyczaj do stabilizowania sieci (kondensatory) lub w sytuacjach, gdy potrzeba szybkiego uwolnienia zmagazynowanej energii (koła zamachowe).
- Długoterminowe, w których czas ładowania trwa od 2 do 24 godzin. Wykorzystywane są głównie do pokrycia zapotrzebowania szczytowego. Zaliczamy do nich elektrownie szczytowo-pompowe i zbiorniki sprężonego powietrza.
- Długoterminowe-elektrochemiczne, w których czas ładowania trwa od około 1 godziny do kilkunastu dni, a do magazynowania i wyzwalania energii używają reakcji chemicznych. Wykorzystuje się je głównie do magazynowania na potrzeby gospodarstw domowych i elektromobilności. Zaliczamy do nich: akumulatory litowo-jonowe, baterie ołowiowo-kwasowe i ogniwa paliwowe.
Najpopularniejsze rodzaje magazynów energii:
- Elektrownie szczytowo-pompowe
Elektrownie szczytowo-pompowe do magazynowania energii wykorzystują energię potencjalną wody. Do sprawnego działania, potrzebują dwóch zbiorników wodnych, z których jeden znajduje się powyżej drugiego. W czasie, gdy zapotrzebowanie na energie jest niskie, nadwyżki mocy wykorzystywane są do przepompowania wody ze zbiornika znajdującego się poniżej do zbiornika znajdującego się wyżej. W momencie, gdy sieć potrzebuje większej ilości energii, woda jest spuszczana do niższego zbiornika, napędza przy tym turbiny, które generują prąd.
Elektrownie szczytowo-pompowe charakteryzują się bardzo wysoką efektywnością odzyskiwania zmagazynowanej energii wynoszącą około 80%. Kolejną zaletą jest duża elastyczność i możliwość szybkiego reagowania na niedobór mocy. Największą wadą są wysokie koszty budowy potrzebnej infrastruktury, a także konieczność wykorzystania dwóch zbiorników wody znajdujących się na różnej wysokości, co w oczywisty sposób wyklucza ich stosowanie na terenach nizinnych. Według szacunków odpowiadają za około 99% całej zmagazynowanej dziś energii.
- Magazyny na sprężone powietrze
Drugim najpopularniejszym sposobem magazynowania energii jest wykorzystywanie w tym celu sprężonego powietrza. Analogicznie do innych metod, w momencie małego zapotrzebowania na energię, nadwyżki zużywa się do gromadzenia powietrza w zbiornikach ciśnieniowych – sprężarkach. Gdy zapotrzebowanie wzrasta, powietrze jest uwalniane napędzając turbiny produkujące prąd.
Największym problemem przy użyciu tego rodzaju sposobu magazynowania, są różnice temperatur, do jakich dochodzi przy kompresji i dekompresji. W pierwszym przypadku powietrze ogrzewa się, a w drugim traci ciepło. Z tego powodu, magazyny na sprężone powietrze nie mogą generować dużej mocy. Wciąż trwają prace nad technologią przechowania ciepła powstałego podczas kompresji i wykorzystania go do ogrzania powietrza w czasie dekompresji. W dalszym ciągu nie powstała jednak technologia, która pozwalałaby wykorzystać ten rodzaj magazynu na większą skalę.
- Akumulatory litowo-jonowe
Występują one powszechnie jako akumulatory w urządzeniach codziennego użytku np. w laptopach i telefonach. Największymi zaletami stosowania akumulatorów litowo-jonowych jest ich niska waga w porównaniu z innymi metodami magazynowania energii, a także duża gęstość mocy, jaką mogą zmagazynować. Dzięki tym zaletom są bardzo użyteczne w domowych magazynach, gdzie pojawiają się duże, ale krótkie niedobory mocy. W ostatnim czasie ceny akumulatorów litowo-jonowych drastycznie spadają, stając się przez to coraz bardziej powszechne. Ich cena w dalszym ciągu pozostaje jednak stosunkowo wysoka, co ma oczywisty wpływ na stopień ich wykorzystania. Przewiduje się, że w najbliższy latach ich koszt w dalszym ciągu będzie malał. Kolejnym problem, na jaki napotykają się użytkownicy akumulatorów, jest ich spadająca z czasem efektywność, a także niebezpieczeństwo ich wybuchu.
- Magazynowanie wodoru i ogniwa paliwowe
Wodór w ostatnim czasie staje się jednym z najważniejszych kierunków dla odnawialnej energetyki. Jego niewątpliwe zalety opisane w tym artykule sprawiają, że jest typowany jako ekologiczny zamiennik dla paliw kopalnych. Dzięki wysokiej gęstości energii (trzykrotnie wyższa niż w przypadku benzyny i ponad stukrotnie wyższa niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych) oraz możliwości przechowywania go przez długi czas, jest idealnym kandydatem jako środek do magazynowania energii pochodzącej z odnawialnych źródeł energii.
W momencie, gdy zapotrzebowanie na prąd jest niższe niż produkcja, nadwyżki wykorzystywane są do produkcji wodoru w procesie elektrolizy. W sytuacji, gdy w sieci będzie zapotrzebowanie na większą ilość energii, ogniwa paliwowe spalają zmagazynowany wodór razem z tlenem produkując przy tym prąd.
Największą wadą wodoru jako magazynu energii jest jego niższa efektywność w jej wytwarzaniu, a następnie spaleniu wahająca się od 20% do 45%, w zależności od użytej technologii. Problematyczne jest również jego bezpieczne transportowanie i przechowywanie. Ogromne środki, jakie państwa przeznaczają w ostatnim czasie na technologie wodorowe, pozwalają jednak patrzeć optymistycznie na ich rozwój.
Dofinansowanie do magazynów energii
Nasz kraj przeżywa właśnie fotowoltaiczny boom. Za sprawą rządowego projektu „mój prąd” i związanym z nim dofinansowaniem do założenia przydomowej elektrowni słonecznej, produkcja prądu z odnawialnych źródeł energii z każdym miesiącem bije kolejne rekordy mocy. Ostatni najlepszy wynik zarejestrowany został 9 kwietnia 2021 roku i w szczytowym momencie, moc produkcyjna wszystkich odnawialnych źródeł energii zainstalowanych w Polsce wyniosła 7860,3 MW. Wynik ten przekłada się na ponad jedną trzecią całej energii trafiającej do odbiorców. W tym samym czasie rekord ustanowiły również elektrownie słoneczne, które zanotowały wynik 2779,3 MW, poprawiając tym samym swój wcześniejszy rekord z 31 marca. Można mieć uzasadnione przewidywania, że w kolejnych miesiącach dojdzie wielokrotnie do poprawienia tego wyniku.
W związku z sukcesem poprzednich edycji programu „mój prąd” i rosnącym zapotrzebowaniem na magazyny energii, polski rząd planuje rozpocząć kolejny nabór na rok 2021. Pomimo że nie ma jeszcze pewnych informacji o warunkach i kwocie dofinansowania, osoby bezpośrednio związane z programem zapowiadają kilka zmian. Przede wszystkim rząd chce by tym razem dotacja przysługiwała nie tylko na przydomową elektrownie słoneczną, ale będzie mogła być również przeznaczona na zakup magazynu energii. Ma to pozwolić na zachowanie większej stabilności sieci, a także obniżyć rachunki za prąd płacone przez gospodarstwa domowe. To, jakie dofinansowania będą przewidziane, dowiemy się najprawdopodobniej w maju 2021.