Rowicki: Baterie litowo-jonowe a Elon Musk

Ostatnie lata przyniosły szybki rozwój wykorzystania technologii magazynowania energii. Najgłośniej w ich kontekście jest o Elonie Musku i jego firmie Tesla. W realizacji projektów wykorzystuje ona baterie litowo-jonowe. Przyjrzyjmy im się bliżej – pisze Marcin Rowicki, prezes Studenckiego Koła Magazynowania Energii działającego przy Wydziale Mechanicznym, Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej.

Ekscentryk i wizjoner?

Wyniesienie samochodu osobowego w przestrzeń kosmiczną, piosenka R.I.P. Harambe, czy palenie marihuany w jednym z programów, którego był gościem – to tylko niektóre ze znanych wybryków ekscentrycznego miliardera, Elona Muska. Jego najbardziej rozpoznawalnymi markami są SpaceX i Tesla, a Twitterowa aktywność prezesa prowadzi do sporych wahań wartości akcji tej drugiej, mogących kosztować miliony. Z tego powodu Musk zapowiadał możliwość wycofania jej z giełdy, co skończyło się sądową ugodą. Dla jednych, Elon Musk jest genialnym wizjonerem, chcącym zaprowadzić ludzkość na Marsa, a jej życie na Ziemi uczynić lepszym. Dla innych jego działania są dziecinne i głupie a swoją lekkomyślnością oraz próbą bycia „cool” doprowadza firmy, których jest właścicielem na skraj bankructwa.

Przedsiębiorstwem Elona Muska, którego zakres działalności opiera się o energetykę jest Tesla. Nazwana po genialnym naukowcu pochodzącym z Bałkanów firma, zajmuje się produkcją samochodów elektrycznych, bateryjnych magazynów energii oraz paneli fotowoltaicznych. To właśnie jej dziełem jest magazyn w Hornsdale w Południowej Australii, będący do tej pory największym magazynem energii zbudowanym z baterii litowo-jonowych. Poza tym, wg jej rocznego raportu, w samym tylko 2018 roku firma zrealizowała projekty magazynów o łącznej pojemności 1 GWh na całym świecie, będąc jednym z liderów w produkcji magazynów przydomowych. Działalność Tesli opiera się o wykorzystanie baterii litowo-jonowych, najszybciej rozwijającej się technologii magazynowania energii, która stanowi serce zarówno jej modeli samochodów elektrycznych, jak i magazynów Powerwall oraz Powerpack. Zastanówmy się – czy postawienie na tego konia i wybór tej konkretnie technologii było odpowiednim posunięciem?

Różne typy akumulatorów

Istnieje wiele rodzajów magazynów energii, od kondensatorów po elektrownie szczytowo-pompowe. Zasadniczą różnicą między nimi jest forma energii, jaka jest finalnie magazynowana. Z tego też powodu, magazyny możemy podzielić na krótko- i długoterminowe. Magazyny krótkoterminowe magazynują energię na godziny, minuty, a czasem nawet sekundy – przez co w energetyce wykorzystywane są do stabilizacji jakości energii elektrycznej w sieci. Z kolei technologie długoterminowego magazynowania są przeznaczone do współpracy z wielkoskalowymi źródłami (zarówno konwencjonalnymi, jak i odnawialnymi) w systemie elektroenergetycznym. Magazyny bateryjne są swoistą hybrydą między tymi dwoma rodzajami – dzięki brakowi części ruchomych czas ich reakcji jest niemal zerowy, a ich współczynnik samorozładowania jest na tyle mały, że są w stanie funkcjonować w ramach większej całości. Te dwa czynniki sprawiają też, że baterie elektrochemiczne są wykorzystywane w mikrosieciach, w których potrzebna jest jak największa elastyczność poszczególnych komponentów.

Uważny czytelnik zauważy, że w poprzednim akapicie nie zostały podane żadne liczby na poparcie wygłoszonych tez o bateryjnych magazynach. Było to zagranie celowe – baterie bateriom są nierówne. Energia w nich jest magazynowana w wiązaniach elektrochemicznych, lecz korzysta się w tym celu z różnych materiałów. W literaturze naukowej można znaleźć poglądowe porównanie poszczególnych technologii bateryjnych:

Tab. Porównanie parametrów poszczególnych technologii baterii, źródło: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X17304437

Z danych powyżej wynika, że przekrojowo baterie litowo-jonowe faktycznie mają bardzo dobre parametry. Dzięki dużej liczbie cykli pracy, wysokiej gęstości zmagazynowanej energii oraz niewykorzystywania do ich produkcji toksycznych substancji, na szeroką skalę wykorzystywane zaczęły być wraz z rozwojem sprzętu elektronicznego. To napędzało ich rozwój i prowadziło do spadku cen. To z kolei znów napędzało rozwój technologiczny. Dlatego też, wraz z coraz większym naciskiem na wykorzystanie magazynów w energetyce, najczęściej proponowanym rozwiązaniem są magazyny bateryjne – po prostu się one opłacają.

Patrząc jednak na makrotrendy – korzystne trendy cenowe baterii litowo-jonowych napędzane były głównie rozwojem technologicznym, który z kolei był stymulowany zapotrzebowaniem baterii w sprzętach przenośnych, a teraz także w samochodach elektrycznych, czy wykorzystania jako przemysłowe magazyny energii. Jednak używa się do ich konstrukcji metali ziem rzadkich, których ceny, przy zwiększonym na nie popycie rosną. Może to również wpływać na ceny samych baterii teraz i w przyszłości. O ile nie zostaną opracowane efektywne technologie recyklingu baterii i odzysku tych pierwiastków ze zużytych baterii lub materiały nie zostaną one zastąpione innymi, przez wzrost cen surowców możemy w przyszłości zaobserwować wyhamowanie spadkowego trendu cen baterii, lub w najgorszym wypadku nawet ich wzrost.

Baterie przepływowe

Warto przy okazji wspomnieć o technologii bateryjnej, lecz o zupełnie innej budowie, tj. o bateriach przepływowych. W nich, energia jest magazynowana w dwóch roztworach naładowanych jonów elektrolitów, przechowywanych w osobnych, dużych zbiornikach. Podczas pracy płyny przepływają przez ogniwo, w którym elektrolity, będąc oddzielone jedynie półprzepuszczalną membraną, reagują ze sobą wytwarzając napięcie. 

Istnieje wiele typów takich ogniw (opierających się na różnych związkach chemicznych), a pojemność magazynów ograniczona jest jedynie przez wielkość zbiorników. W porównaniu do zwykłych akumulatorów mają one dłuższy czas życia i większą liczbę cykli pracy. Do ich minusów można zaliczyć dość małą gęstość zmagazynowanej energii, przez co takie instalacje zajmują sporo miejsca oraz stosunkowo wysoki ich obecny koszt. Baterie przepływowe nie są już jedynie rozwijane w laboratoriach – największa taka instalacja zlokalizowana jest w Chinach, w Prowincji Dalian, ma ona moc 200 MW i pojemność 800 MWh. Przy spadku ich cen mogłyby one wyprzeć tradycyjne akumulatory z rynku stacjonarnych magazynów energii.

Magazyny bateryjne w systemie elektroenergetycznym

Pomimo tego, że Tesla nie była ani pierwszą firmą rozwijającą magazyny energii, ani nie wykorzystuje niesamowicie przełomowej technologii, to dzięki postaci charyzmatycznego prezesa oraz świetnemu marketingowi właśnie o niej jest najgłośniej. Przykładem tego jest słynny magazyn w Hornsdale, w Południowej Australii, będący obiektem zakładu Muska z władzami australijskimi. Co jeszcze ciekawsze – koszty tej instalacji wg przekazów medialnych zwróciły się w ciągu pierwszego roku swej działalności aż w jednej trzeciej. Jednak, jak donosił raport australijskiego operatora rynku energii, znajdujące się również w tym kraju elektrownie szczytowo-pompowe na różnicach cen pobieranej i oddawanej energii właściwie nie zarabiały, podczas gdy magazyny bateryjne przynosiły zyski na poziomie 20$ za każdą oddaną do sieci MWh.

Skąd ta różnica? Otóż baterie litowo-jonowe oprócz zarobków na różnicach w cenach energii, miały również przychody z tytułu świadczenia usług sieciowych (np. rezerwy pierwotnej i wtórnej). W porównaniu do elektrowni szczytowo-pompowej mają one jedną, niepodważalną zaletę – brak części ruchomych, co pozwala na niemal natychmiastową reakcję na zapotrzebowanie w systemie. Jest to o tyle istotne, że musi być ono bilansowane z wytwarzaniem w każdym momencie doby, by zachować  odpowiednią jakość tej energii. W ten sposób został pomyślany magazyn w Australii – ma on współpracować z istniejącym systemem elektroenergetycznym w przypadku jego awarii i niedoborów, a nie zastępować jednostki wytwórcze.

Niedawno zostały przez PSE opublikowane wyniki certyfikacji ogólnej 2019. Zostało w nim zgłoszonych ponad 5 GW w magazynach energii. Realizacja tych planów przy wymaganiach stawianych magazynom w rynku mocy (praca z mocą znamionową przez co najmniej 4h) dałaby ponad 20 GWh ich pojemności. Oprócz tego, Polska Grupa Energetyczna opublikowała swoje plany rozwoju magazynów (z których moim zdaniem najciekawsze są magazyny współpracujące z siecią dystrybucyjną oraz magazyn współpracujący z elektrownią Bełchatów), a prace w tym temacie prowadzone są w każdej ze spółek energetycznych. Rozważane są przede wszystkim baterie (choć już nie tylko litowo-jonowe), a powód tego jest jeden – ich największa obecnie opłacalność ekonomiczna przy dużej różnorodności zastosowań. Dopóki LAES, superkondensatory, czy magazynowanie wodoru nie będą konkurencyjne finansowo, dopóty przy okazji nowych inwestycji w obszarze magazynów energii będziemy słyszeć jedynie o bateriach.

Plany na przyszłość

W energetyce największy udział wśród technologii magazynowania mają elektrownie szczytowo-pompowe. Jednak jeśli zsumujemy pojemność wszystkich urządzeń przenośnych, na pozycję lidera wychodzą baterie litowo-jonowe. Warto obserwować, co zobaczymy w najbliższych latach – spółka Highview Power zapowiada ekspansję magazynów LAES na cały świat, wciąż trwa rozwój technologii wodorowych, ale badania nad wykorzystywanymi materiałami mogą jeszcze umocnić pozycję baterii na czele stawki. Dużo zależy także od poszczególnych zastosowań – „ujarzmianie” OZE, stanowienie rezerwy, czy rynek mocy, każde wymaga indywidualnego podejścia oraz być może zastosowania innej technologii. Mają one jednak wspólny mianownik – w każdym z nich można zastosować magazyny bateryjne.