– W 2022 roku byliśmy drugim pod względem inwestycji największym rynkiem instalacji fotowoltaicznych w Europie, a moc zainstalowana przekroczyła 4,7 GW osiągając sumarycznie 12,4 GW. W 2023 roku dynamika była zbliżona. Szacuje się, że do końca maja całkowita moc zainstalowanej paneli fotowoltaicznych zbliżyła się do 14 GW. Jeżeli tempo zostanie utrzymane, to ponownie istnieje duża szansa na przekroczenie bariery 4 GW, a Instytut Energetyki Odnawialnej w swojej prognozie oczekiwał, że wartość ta może nawet przekroczyć 6 GW – pisze Grzegorz Liśkiewicz z Politechniki Łódzkiej w analizie dla Fundacji imienia Kazimierza Pułaskiego.
Fotowoltaika i wiatraki to nie wszystko. Stabilność systemu opartego o OZE wymaga magazynów energii. Obecne technologie nie wystarczają na rozwiązanie problemu, dlatego prezentujemy przegląd najbardziej obiecujących technologii przyszłości. Czy Polska będzie mogła dołączyć do wyścigu?
Energetyka odnawialna wkracza na serio do Polski
To musiało nastąpić – ostatnie dwa lata to ogromny boom na instalacje energetyki rozproszonej w Polsce. W szczególności wzrósł udział instalacji fotowoltaicznych.
W 2022 roku byliśmy drugim pod względem inwestycji największym rynkiem instalacji fotowoltaicznych w Europie, a moc zainstalowana przekroczyła 4,7 GW osiągając sumarycznie 12,4 GW. W 2023 roku dynamika była zbliżona. Szacuje się, że do końca maja całkowita moc zainstalowanej paneli fotowoltaicznych zbliżyła się do 14 GW. Jeżeli tempo zostanie utrzymane, to ponownie istnieje duża szansa na przekroczenie bariery 4 GW, a Instytut Energetyki Odnawialnej w swojej prognozie oczekiwał, że wartość ta może nawet przekroczyć 6 GW.
Brzmi wspaniale, prawda? Niestety to również oznacza, że zbliżamy się do bariery której nie będzie łatwo przekroczyć. W tym samym raporcie Instytutu Energetyki Odnawialnej wskazano, że bardzo dużo wniosków o zabudowę instalacji fotowoltaicznej spotyka się z odmową. W 2022 roku sumaryczna moc odmów wydania warunków przyłączenia dla fotowoltaiki wyniosła 30,4 GW, czyli ponad 6-krotnie więcej niż moc ostatecznie zrealizowanych instalacji. Dlaczego tak się dzieje?
Dobrym przykładem może być poniższa symulacja obrazująca produkcję prądu w gospodarstwie domowym wyposażonym w panele fotowoltaiczne oraz turbinę wiatrową małej mocy (Rysunek 1). W przedstawionym scenariuszu produkcja prądu z OZE wynosi w skali roku 3320,61 kWh. Tylko 2143,41 kWh mogło zostać odebrane na lokalne zapotrzebowanie, a reszta to nadprodukcja, która musiała zostać oddana do sieci. Niestety coraz częściej nie ma takiej możliwości. Nadprodukcja wśród prosumentów występuje w krótkich momentach silnego nasłonecznienia lub wiatru, a przeciążona sieć bez magazynów energii nie może jej odebrać.
Rysunek 1. Przykładowy scenariusz 4-osobowego gospodarstwa domowego wyposażonego w 4 panele fotowoltaiczne i turbinę wiatrową małej mocy. Opracowanie własne autora.
Wyposażenie układu w przydomowy magazyn energii o pojemności 10kWh wyraźnie poprawia tę sytuację (Rysunek 2). Magazyn jest w stanie odebrać większość nadwyżki, a wykorzystana energia wynosi już 3191,29 kWh. Pojawiają się też dłuższe momenty (szczególnie w lecie), kiedy gospodarstwo jest całkowicie niezależne energetycznie. Mimo to przez większość roku cyklicznie powracają momenty, kiedy zużycie prądu jest na tym samym poziomie co bez OZE.
Rysunek 2. Przykładowy scenariusz 4-osobowego gospodarstwa domowego wyposażonego w 4 panele fotowoltaiczne, turbinę wiatrową małej mocy oraz magazyn energii. Opracowanie własne autora.
Wraz z panelami przyleciały do Polski kalifornijskie kaczki
Powyższy model posiada wiele uproszczeń, ale doskonale oddaje istotę problemu. Co jeżeli dodamy do niego dobową zmienność zapotrzebowania na prąd? 10 lat temu analitycy California Independent System Operator opisali ten problem za pomocą tzw. „duck curve”, czyli krzywej-kaczki przedstawionej na wykresie 1. Widać na niej zapotrzebowanie na prąd w sieci z dużym nasyceniem paneli fotowoltaicznych (czyli ogólne zapotrzebowanie minus moc możliwa do uzyskania z paneli słonecznyc
h).
Rysunek 3. Krzywa-kaczka przedstawiona przez analityków CISO.
Z wykresu można wywnioskować, że:
- Wraz z większym nasyceniem panelami fotowoltaicznymi zapotrzebowanie na prąd w środku upalnego dnia może spaść nawet poniżej minimalnego zapotrzebowania w środku nocy.
- Sieć jest narażona na ogromną zmienność poboru mocy – wieczorem zapotrzebowanie na moc wzrasta ponad dwukrotnie w przeciągu trzech godzin.
- Wprowadzenie do miksu energetycznego paneli fotowoltaicznych nie zmniejsza znacząco maksymalnego zapotrzebowania na moc elektryczną. Bez paneli krzywa ta utrzymywałaby stały poziom od godziny 8-9 rano, do 8-9 wieczorem. Panele są w stanie zmniejszyć zapotrzebowanie w trakcie dnia, lecz nie zmieniają sytuacji wieczorem. Konieczne jest więc zachowanie mocy wytwórczych z innych źródeł w gotowości na ten czas – obecnie głównie za pomocą konwencjonalnych źródeł prądu opartych o paliwa kopalne.
Wraz z pojawieniem się dużej ilości paneli słonecznych, z Kalifornii przyleciała do Polski również krzywa-kaczka. Rysunek 2 przedstawia godzinowe ceny energii na polskiej giełdzie w czerwcu 2019 oraz 2022. Nie w sposób nie dostrzec znajomego kształtu na drugiej krzywej. Co ciekawe, obecność paneli słonecznych może podnieść chwilową cenę prądu. Według analityków portalu „Wysokie Napięcie” cena w godzinach wieczornych jest istotnie większa względem szacowanej wartości jaką trzeba by było zapłacić gdybyśmy nie mieli tego typu instalacji. Trzeba jednak przyznać, że ogólny spadek średniej ceny prądu jest wyraźny.
Rysunek 4. Krzywa-kaczka w wydaniu polskim.
Magazyny energii
Potrzebujemy bardzo dużych pojemności magazynów energii. Ich obecność mogłaby:
- Ustabilizować zmienność ceny prądu.
- Pozwolić na pełne użycie źródeł odnawialnych, bez straconej nadprodukcji.
- Zmniejszyć udział paliw kopalnych w krajowym miksie energetycznym.
- Zwiększyć bezpieczeństwo energetyczne kraju.
Brzmi wspaniale, dlaczego więc nie posiadamy wielkoskalowych magazynów energii? Problemem jest brak docelowej technologii. Obecnie trwa wyścig technologiczny mający na celu wyłonienie zwycięzcy – rozwiązania oferującego najlepsze możliwości w przystępnej cenie, zarówno w wymiarze finansowym jak i ekologicznym. Najważniejsze parametry opisujące możliwości magazynu energii to:
- Pojemność – Najbardziej oczywisty parametr informujący o energii jaką możemy magazynować. Najczęściej jest wyrażany w kWh.
- Round Trip Efficiency – Sprawność całego procesu, czyli stosunek energii jaką można odzyskać z magazynu energii do oryginalnie włożonej. Wartość jest podawana w procentach.
- Czas magazynowania – Warto rozróżnić dwa rodzaje magazynów energii:
* Krótkoterminowe magazyny energii mogą charakteryzować się większą wartością RTO, która jednak spada z upływem dni lub nawet godzin. Takie rozwiązania są niezbędne do zapewnienia w nocy prądu z dziennej nadwyżki.
* Magazyny długoterminowe wymagają stabilnego RTO w zakresie miesięcy. Taki okres magazynowania pozwoli wykorzystać letnie nadwyżki prądu w miesiącach zimowych. Tak długi okres magazynowania oznacza najczęściej dużo mniejsze RTO.
Rysunek 5. Zakres stosowania technologii magazynowania energii wg. naukowców Southwestern Research Institute[v].
Powyższy wykres prezentuje obszary zastosowania różnych technologii magazynowania energii z uwzględnieniem dwóch parametrów: pojemności i czasu magazynowania. Porównania wartości RTO nie są tak oczywiste i zależą również od poziomu dojrzałości danej technologii. Poniżej opisałem wybrane z nich:
- Chemiczne – To głównie baterie (Solid-State Batteries). Dla elektromobilności to rozwiązanie jest obecnie dominujące, jak również jest często oferowane jako dodatek dla przydomowej instalacji fotowoltaicznej. Baterie oferują małe gabaryty i stosunek masy do pojemności. Cechuje je też wysoka wartość RTO, która na początku może wynosić nawet 99%. Niestety popularne obecnie baterie litowo-jonowe mają listę wad powodujących, że poza nielicznymi wyjątkami[vii] technologia nie jest stosowana do magazynów o dużej pojemności. Wartość RTO dla megawatowych baterii zależy od tempa odbioru energii i może spaść do 65%. Wielkie baterie są też narażone na pożary[viii]. Niestety zarówno RTO jak i pojemność baterii spada również z czasem i kolejnymi cyklami ładowania. Problemem jest ich utylizacja. Dochodzą czynniki strategiczne – na fali rosnącej produkcji aut elektrycznych lit staje się kluczowym zasobem, a jego złoża w Europie są ograniczone. W obliczu powyższych ograniczeń nie dziwi fakt, że prowadzonych jest mnóstwo projektów badawczych mających na celu rozwinięcie nowych technologii chemicznego magazynowania energii.
- Szczytowo-pompowe magazyny energii (Pumped Hydro) – Obecnie bezkonkurencyjne rozwiązanie dla magazynów o dużej pojemności. 96% dzisiejszej pojemności magazynów to właśnie to rozwiązanie. Oferuje ono RTO na poziomie 70% – 85%, które nie spada znacząco z czasem. Takie instalacje są trwałe i mogą funkcjonować z powodzeniem przez 80-100 lat. Niestety wymagają one odpowiednich warunków naturalnych pozwalających na transportowanie czynnika pomiędzy dwoma zbiornikami na różnej wysokości. Jest więc jasne, ze nie możemy oprzeć całego systemu magazynowania energii na tej technologii.
- Składowanie energii w sprężonym powietrzu (Compressed Air Energy Storage) – Możliwy konkurent dla magazynów dużej mocy. Oczekiwana wartość RTO może wynosić do 80%, jednak zrealizowane wielkoskalowe instalacje pilotażowe mogą na razie pochwalić się wartościami 42% – 55%. Największym problemem systemów CAES jest konieczność posiadania dużego zbiornika przeznaczonego na składowanie sprężonego powietrza. Obecnie jest to najczęściej naturalna struktura geologiczna, tzw. wysad. Przy zbyt małej pojemności zbiornika układy CAES są narażone na duży zakres zmian ciśnienia, co wpływa negatywnie na sprawność sprężarki i turbiny. Wykorzystanie dedykowanych zbiorników ciśnieniowych zwiększa koszt zabudowy i jest obecnie uważane jako nieopłacalne. Jednym z ciekawych pomysłów jest użycie podwodnych balonów napełnianych dwutlenkiem węgla.
- Magazyny mechaniczne – Wśród dostępnych rozwiązań należy wyróżnić zastosowanie kół zamachowych (Flywheels). Taka technologia ma sens jedynie dla magazynowania energii w celu krótkoterminowego stabilizowania sieci. Mowa tutaj o magazynowaniu energii na minuty z RTO na poziomie 85% – 87%. Liczba cykli magazynowania jest bardzo duża i ograniczona w zasadzie jedynie żywotnością łożysk. Poza kołami zamachowymi istnieją instalacje pilotażowe wykorzystujące grawitację (Gravity-Based). Działające przykłady wykorzystują transport wagonów na wzgórza, lub wznoszenie bloków za pomocą żurawia. Mimo pozornej prostoty są to cały czas instalacje pilotażowe. RTO dla takich rozwiązań może wynosić 80% – 90%, a czas magazynowania jest w zasadzie nieograniczony.
- Magazyn ciepła (Pumped Heat) – Szeroka paleta rozwiązań opartych o składowanie energii w formie ciepła. Najprostszym przykładem jest użycie pompy ciepła do utworzenia różnicy temperatury między dwoma zbiornikami. Odbiór energii następuje z użyciem silnika cieplnego wykorzystującego wytworzoną różnicę temperatur. Tego typu najprostsze rozwiązanie może osiągnąć RTO na poziomie 60%. W poszukiwaniu lepszego wyniku rozwijanych jest wiele pilotażowych instalacji wykorzystujących jedno lub wielofazowe czynniki, oraz różne magazyny dla strony ciepłej i zimnej. Ta technologia może też być skutecznie integrowana ze źródłami ciepła takimi jak skoncentrowana energia słoneczna lub paliwa kopalne.
Powyższa lista obejmuje jedynie wybrane trendy i instalacje pilotażowe magazynowania energii. Wiele ośrodków badawczych testuje inne możliwości takiej jak użycie skroplonego powietrza, baterie przepływowe, magazyny termochemiczne i oczywiście rozwiązania oparte o wodór, którym można by z powodzeniem poświęcić osobny artykuł.
Podsumowanie
Już w 2027 roku oczekuje się, że panele słoneczne staną się głównym źródłem prądu na ziemi. Magazyny energii są niezbędnym warunkiem do kontynuacji tego trendu i ostatecznego, pełnego przejścia na energetykę odnawialną.
Niestety większość technologii energetycznych musimy importować: kupujemy turbiny wiatrowe, panele fotowoltaiczne, turbozespoły i bloki energetyczne. To duże obciążenie dla budżetu państwa i niedobra sytuacja z punktu widzenia naszego bezpieczeństwa.
Własna technologia magazynowania energii byłaby dla nas szansą odwrócenia tej sytuacji: wejścia na nowy rynek i znaczącej poprawy bezpieczeństwa energetycznego. Szansą, z której chyba już nie skorzystamy. Podczas gdy inne kraje pracują nad wielkoskalowymi demonstratorami technologii, w naszej przestrzeni publicznej nie widać większej dyskusji o magazynach energii oraz strategicznych programach badawczo-rozwojowych w tym obszarze. Jeżeli utrzymamy takie podejście, za kilka lat będziemy uzależnieni od zewnętrznych dostawców, którzy chętnie wykorzystają naszą niełatwą pozycję negocjacyjną.
Źródło: Fundacja imienia Kazimierz Pułaskiego
