Magazyny energii: Kluczowy element transformacji energetycznej. Część 1

Magazyny energii odgrywają fundamentalną rolę w zarządzaniu przepływami energii elektrycznej. Ich główną funkcją jest przechowywanie nadmiaru energii produkowanej w okresach niższego zapotrzebowania i uwalnianie jej w momentach szczytowego zużycia. Zasadniczo systemy te działają na podobnej zasadzie, co akumulatory stosowane w urządzeniach elektronicznych, lecz są skalowane na potrzeby przemysłowe. Pozwalają na lepsze wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, które nie zawsze dostarczają energii w sposób ciągły (np. w nocy w przypadku energii słonecznej lub w okresach bezwietrznych dla energii wiatrowej).

Z punktu widzenia technologii, magazyny energii różnią się między sobą zarówno pod względem wydajności, jak i zastosowania. Możemy je podzielić na kilka głównych kategorii.

• Elektrownie szczytowo-pompowe – Największe i najstarsze systemy magazynowania energii. Działają poprzez pompowanie wody do wyżej położonego zbiornika w czasie nadwyżek energii, a następnie generowanie energii przez przepływ tej wody przez turbiny, gdy jest potrzebna. Systemy te charakteryzują się dużą pojemnością, ale wymagają specyficznych warunków geograficznych.
• Magazyny sprężonego powietrza (CAES) – Energia jest magazynowana poprzez sprężanie powietrza w podziemnych kawernach. W czasie zapotrzebowania powietrze jest rozprężane i napędza turbiny. CAES charakteryzuje się długim czasem magazynowania, ale ich sprawność jest niższa niż w przypadku innych technologii.
• Koła zamachowe – Energia przechowywana jest w postaci energii kinetycznej w wirującym kole zamachowym. Gdy zapotrzebowanie na energię wzrasta, energia kinetyczna zostaje przekształcona w energię elektryczną. Koła zamachowe mają bardzo dużą gęstość mocy, co sprawia, że są idealne do krótkoterminowych operacji stabilizacyjnych.
• Baterie elektrochemiczne – Najbardziej popularne rozwiązanie w magazynowaniu energii. Najczęściej stosowane są baterie litowo-jonowe, choć istnieją też inne technologie, takie jak baterie kwasowo-ołowiowe czy przepływowe. Systemy te mają wysoką sprawność i są coraz częściej stosowane do stabilizacji sieci oraz w sektorze energetyki odnawialnej.
• Magazyny cieplne – Energia jest magazynowana w postaci ciepła, które może być wykorzystywane w różnych zastosowaniach, takich jak ogrzewanie budynków lub chłodzenie za pomocą wody lub lodu. Tego typu systemy mogą być efektywne w kontekście ogrzewania, jednak ich stosowanie w elektryczności jest ograniczone.

Z punktu widzenia technicznego, magazyny energii charakteryzują się kilkoma podstawowymi parametrami, które decydują o ich efektywności i zastosowaniu w różnych sektorach.

• Pojemność magazynowania – Określa, ile energii dany system może przechować i jest wyrażana w kilowatogodzinach (kWh) lub megawatogodzinach (MWh). Pojemność zależy od mocy systemu oraz czasu, przez jaki może on dostarczać energię. Przykładowo magazyn o mocy 50 MW, który może działać przez 4 godziny, ma pojemność 200 MWh. Nie oznacza to jednak, że taki system musi zawsze pracować z pełną mocą. Jeżeli wymagane będzie obciążenie na poziomie 25 MW, system może magazynować energię przez dłuższy czas (200MWh / 25 MW = 8 h)
• Gęstość energii – Odnosi się do stosunku przechowywanej energii do masy lub objętości magazynu. Im wyższa gęstość energii, tym mniejsza przestrzeń zajmowana przez magazyn o tej samej pojemności. Na przykład akumulatory litowo-jonowe mają gęstość energii rzędu 150-265 Wh/kg, co czyni je atrakcyjnymi dla mobilnych zastosowań np. w smartfonach czy samochodach elektrycznych.
• Gęstość mocy – Oznacza, jak szybko dany system może uwolnić energię. Jest to szczególnie istotne w sytuacjach, gdzie potrzebne są szybkie reakcje, na przykład w stabilizacji sieci. Gęstość mocy mierzona jest w W/kg lub W/litr i jest kluczowym czynnikiem w zastosowaniach przemysłowych.

• Wydajność (efektywność cyklu) – Określa, ile energii wejściowej (ładowanie magazynu) może zostać odzyskane po uwolnieniu jej z magazynu. Jest mierzona w procentach i zależy od technologii. Na przykład baterie litowo-jonowe mają wydajność rzędu 85-95%, podczas gdy inne technologie, jak CAES, mogą mieć niższą efektywność.

• Czas magazynowania – Jest to parametr decydujący o tym, jak długo system może przechowywać energię. Niektóre technologie, jak koła zamachowe, są idealne do krótkoterminowych zastosowań (sekundy lub minuty), podczas gdy elektrownie szczytowo-pompowe mogą magazynować energię przez dni lub nawet tygodnie.

Przy projektowaniu magazynów energii np. wielkoskalowych, bardzo ważny będzie aspekt zajmowanego miejsca. Akumulatory o większej gęstości energii będą go zajmować zwyczajnie mniej. Na przykład elektrownie szczytowo-pompowe wymagają bardzo dużych ilości wody i potężnych zbiorników by spełniać swoje zadanie w dużej skali.

Globalne inwestycje w magazyny energii znacząco wzrosły w ciągu ostatnich kilku lat, napędzane przez rosnący udział odnawialnych źródeł energii oraz postępującą dekarbonizację systemów energetycznych. W 2023 roku globalna moc zainstalowana w systemach magazynowania energii przekroczyła 50 GW, co jest znaczącym skokiem w porównaniu do poprzednich lat.

Największe magazyny energii znajdują się w Stanach Zjednoczonych, Chinach oraz Europie, choć kraje takie jak Australia czy Indie również dynamicznie rozwijają swoje systemy magazynowania. W USA największe magazyny energii znajdują się w Kalifornii i są one wykorzystywane głównie do stabilizacji sieci opartej na energii słonecznej. Chiny natomiast rozwijają ogromne systemy magazynowania w ramach swojej strategii zwiększenia udziału OZE, szczególnie w kontekście rozwijającej się energetyki wiatrowej.

Europa również przoduje w rozwijaniu technologii magazynowania energii, co jest wynikiem ambitnych celów klimatycznych i dążenia do dekarbonizacji gospodarek krajów członkowskich Unii Europejskiej. W 2023 roku zainstalowana moc magazynów energii w Europie wynosiła około 15 GW, z czego największe udziały miały Niemcy, Wielka Brytania, Hiszpania oraz Włochy.

• Niemcy: Lider w Europie pod względem zainstalowanej mocy magazynów energii, głównie dzięki rozwojowi technologii baterii litowo-jonowych oraz elektrowni szczytowo-pompowych. Niemcy wprowadziły również liczne programy wsparcia dla instalacji domowych systemów magazynowania energii, co sprzyja rozwojowi rozproszonych magazynów energii.
• Wielka Brytania: Kraj ten stawia na rozwój magazynów energii w celu stabilizacji sieci opartej w dużej mierze na energii wiatrowej. Największe instalacje znajdują się w Szkocji i na wybrzeżach, gdzie zlokalizowane są farmy wiatrowe offshore.
• Hiszpania i Włochy: Kraje te dynamicznie rozwijają magazyny energii w związku z dużym udziałem energii słonecznej. Szczególnie Hiszpania, dzięki dużym nasłonecznieniu, zainwestowała w duże instalacje magazynów na potrzeby przemysłowe.

Magazynowanie energii jest kluczowym elementem przyszłościowego systemu elektroenergetycznego opartego na odnawialnych źródłach. Wraz z postępem technologicznym spodziewać się można dalszego wzrostu wydajności magazynów oraz obniżenia kosztów ich instalacji. Nowe technologie, takie jak baterie przepływowe, superkondensatory czy nadprzewodnikowe magazyny energii, mogą zrewolucjonizować rynek w nadchodzących dekadach.

W kolejnym artykule dotyczącym magazynów energii odpowiem na pytania: 

• Ile kosztują magazyny energii? 
• Ile ich trzeba by zaspokoić potrzeby odbiorców biznesowych?
• Jakie są plany rozwoju magazynów energii?