Kochanowski: Przydomowe magazyny energii to przyszłość transformacji energetycznej (ROZMOWA)

15 lipca 2021, 07:25 Energetyka
Fot. Michał Sokołowski/Arch.PIME. Grafika: Gabriela Cydejko.
Fot. Michał Sokołowski/Arch.PIME. Grafika: Gabriela Cydejko.

Intensywny rozwój przydomowych instalacji fotowoltaicznych spowodował, że w niektórych miejscowościach już teraz pojawia się problem z przesłaniem wyprodukowanej energii do sieci. Pewnym naturalnym sposobem zabezpieczenia zarówno prosumenta jak i całej sieci są magazyny energii – mówi Krzysztof Kochanowski, prezes Polskiej Izby Magazynowania Energii w rozmowie z BiznesAlert.pl. 

BiznesAlert.pl: Dachy polskich domów coraz częściej przywdziewają panele fotowoltaiczne, które miały dać nam prywatną niezależność energetyczną i tanią energię, ale teraz ta niezależność stanowi coraz większe zagrożenie dla systemu elektroenergetycznego. Rozwiązaniem mogą być magazyny energii. W jaki obecnie sposób można magazynować energię elektryczną?

Krzysztof Kochanowski: Technologii magazynowania energii jest sporo. Jednym z najprostszych sposobów magazynowania energii elektrycznej są elektrownie szczytowo-pompowe, są też technologie elektro-chemiczne, m.in. bateryjne takie jak baterie np. litowo-jonowe, ale także magazyny przepływowe, wykorzystujące elektrolit z tym, że nie jest on opakowywany w ogniwach, a jest płynny. Regulacja pojemności tego magazynu polega na dolewaniu bądź odlewaniu tego elektrolitu.

To są technologie na dzisiaj najbardziej rozwinięte i najbardziej skomercjalizowane, jednak nie jedyne. Ciekawie rozwija się rynek pneumatycznych zasobników energii (CAES). Praca ich polega na gromadzeniu energii poprzez pobieranie jej w celu zasilenia układów turbozespołów, które sprężają powietrze (do ok. 70 bar), chłodzą je i transportują do uszczelnionych grot podziemnych (np. naturalnych formacji skalnych, starych wyrobisk kopalnych czy kawern solnych). W celu odzyskania zgromadzonej energii, zgromadzone sprężone powietrze jest uwalniane ze zbiornika i wykorzystywane do napędzania turbozespołów generujących energię elektryczną. W celu zwiększenia efektywności dokonuje się połączenia sprężonego powietrza z gazem ziemnym, uzyskując w ten sposób paliwo gazowe dla turbin gazowych oraz stosuje się układy rekuperacji ciepła i chłodu. Wzrost zainteresowania zastosowania tych zasobników wynika z tego, że mają doskonałe możliwości stabilizowania dużych farm wiatrowych, których przybywa na rynku. Wynika to z możliwości, które dają magazyny CAES: uruchamiania bez zasilania z zewnątrz, uzyskania dużych mocy wyjściowych (nawet 300 MW), ciągłej pracy przez kilka godzin w ciągu doby oraz krótkiego czasu rozruchu układu. Opracowywane są także nowe generacje pneumatycznych zasobników energii o mniejszych mocach wyjściowych (5 – 300 MW), wykorzystujące m.in. wtryskiwanie gorącego powietrza, wielostopniowe wysokoprężne silniki ekspansyjne oraz układy adiabatyczne. Z punktu widzenia opłacalności inwestycji kluczowym aspektem jest obecność naturalnych tworów geologicznych, które mogą zostać wykorzystane jako zbiorniki na sprężone powietrze. W przypadku Polski, ten typ zasobników byłby ciekawą alternatywą dla elektrowni szczytowo-pompowych, a na pewno byłby tańszy w budowie. Akurat Polska ma potencjał do budowy takich magazynów, bo mamy sporo niewykorzystanych górotworów.

Również ciekawą alternatywą są zasobniki skroplonego powietrza (zwane także zasobnikami kriogenicznymi – LAES), które wykorzystują energię elektryczną pobraną z sieci do zasilania systemów chłodzących powietrze (lub azot), doprowadzając do jego skroplenia w temperaturze ok. – 195 ⁰C. Skroplone powietrze o zmniejszonej objętości jest magazynowane w uszczelnionych komorach przez okres od kilku godzin do 2 dni. W celu odzyskania energii następuje gazyfikacja powietrza poprzez kontakt z cieplejszym powietrzem atmosferycznym, lub przez dostarczenie ciepła odpadowego, czego wynikiem jest wysokie ciśnienie uwalnianego powietrza, które następnie wykorzystywane jest do napędzania turbozespołów generujących energię elektryczną. Zasobniki LAES (LAES – ang. Liquid Air Energy Storage) w początkowej fazie rozwoju technologii cechowała niska sprawność procesu magazynowania energii (ok. 50 procent). W celu poprawy tego aspektu w ostatnich latach opracowano rozwiązania wykorzystujące ciepło i chłód generowane w trakcie pracy zasobnika oraz dostarczane z zewnątrz (np. wynikające z procesów technologicznych zakładów przemysłowych). Dzięki temu sprawność magazynowania energii w zasobnikach skroplonego powietrza wynosi obecnie ok. 70 procent.

Innym ciekawy rozwiązaniem są zasobniki wykorzystujące pompy ciepła zwane PHES (ang. Pumped Heat Energy Storage). Tutaj energia elektryczna, gdy jest pobierana z sieci, zasila pompę podgrzewającą schłodzony do ok. -150⁰C gaz jednoatomowy o dużej rozszerzalności termicznej (np. argon), który następnie gromadzony jest w zaizolowanym zbiorniku wypełnionym drobnym kruszywem, w którym gaz osiąga temperaturę nawet 500⁰C. W celu wyprowadzenia energii z zasobnika pompa ciepła pracuje w odwrotnym niż w przypadku ładowania kierunku – jako silnik cieplny, który napędza generator, pobierając przy tym ciepło z „gorącego” zbiornika i zwraca chłód do zbiornika „zimnego”. Efektywność pracy zasobników wykorzystujących pompy ciepła jest przede wszystkim zależna od strat cieplnych układu. W związku z tym prowadzone aktualnie prace skupiają się przede wszystkim na nowoczesnych układach zaworów oraz optymalizacją pracy samych pomp. Duży potencjał aplikacyjny tej technologii wiąże się z możliwością wykorzystania ciepła (lub chłodu) odpadowego do zwiększenia efektywności pracy zasobnika. Wyniki przeprowadzonych do tej pory testów, wskazują że praca PHES jest najbardziej efektywna, gdy dostarczana lub pobierana jest duża ilość energii w stosunkowo krótkim czasie. W związku z tym zasobniki te będą mogły być wykorzystywane do regulacji mocy i częstotliwości w systemach elektroenergetycznych.

Mamy na rynku jeszcze sporą grupę zasobników akumulatorowych o różnych składach chemicznych i różnych właściwościach. Chociażby nam dobrze znane akumulatory kwasowo-ołowiowe. Jednak ich zastosowanie jest ograniczone ze względu na niską sprawność. Technologii magazynowania energii elektrycznej jest sporo, jednak najbardziej popularne i najczęściej stosowane obecnie to baterie oparte na licie.

Samych możliwości jest zatem sporo. Nie wszystkie można jednak zastosować w domowych warunkach. Jak wygląda rozwój technologii magazynowania energii? Zwłaszcza w kontekście wzrostu generacji energii z nieprzewidywalnych źródeł energii jakimi są np. OZE.

Do zmagazynowania energii z dużych instalacji OZE najlepiej będą się nadawały magazyny przepływowe, gdzie można zmagazynować energię na dłużej niż cztery godziny. Chociaż bardzo popularne też są magazyny bateryjne, szczególnie w technologii LFP przy instalacjach PV. Bateria LFP to rodzaj baterii litowo-jonowych, w których elektroda dodatnia jest litowo-żelazowo-fosforanowa, a elektroda ujemna jest grafitowa. Bateria ta ma dużą moc i żywotność (od 2000 do 10000 cykli), co jest szczególnie istotne przy funkcjonowaniu z PV. Istotna jest też ich cena, która jest niższa o ok. 30 procent od baterii LTO, które są również doskonałe. Dla porównania sprawność tanich baterii kwasowo-ołowiowych to jedynie 200-1500 cykli.

Jak wygląda zainteresowanie w Polsce magazynami energii?

Widzimy wzrost tego zainteresowania zwłaszcza w kontekście rozwoju dużych instalacji PV jaki i mikroinstalacji prosumenckich. Szacujemy, że w perspektywie czasu jedynie 15 procent inwestycji w OZE będzie mogło zostać przyłączone do sieci. Wynika to ze wzrostu tych źródeł generacji z jednej strony a z drugiej, z ograniczeń samej sieci, która nie jest przystosowana do tak dużego wzrostu podaży energii ze źródeł rozproszonych. Mamy permanentny problem z przyłączaniem nowych mocy OZE. To efekt przestarzałej infrastruktury energetycznej, która jest nieprzystosowana do zmieniającej się architektury rynku energii z rynku centralnego na rozproszony. W efekcie już dzisiaj inwestorzy otrzymują odmowy na przyłączenie nowych mocy OZE. I ten problem będzie narastał. Może też spowodować wygaszenie aktywności inwestorów. Operatorzy owszem rezerwują moce przyłączeniowe obecnie na przyłączenie farm morskich, i ewentualnie część mocy będzie dostępna dla farm lądowych po zlikwidowaniu bariery 10h. Natomiast farmy PV będą miały duży problem z przyłączeniem i inwestorzy muszą szukać innych możliwości wykorzystania energii, która nie będzie mogła w pełnej mocy być przyłączona do sieci. Rozwiązaniem jest przyłączanie części mocy z danej instalacji OZE i magazynowanie pozostałej mocy lub produkowanie zielonego wodoru, który będzie wkrótce najbardziej poszukiwanym towarem na rynku energii. Albo budowanie elektroenergetycznych linii bezpośrednich łączących producenta energii z OZE z odbiorcą energii. Także do tego modelu biznesowego będą potrzebne magazyny energii.

Inwestorzy dostrzegają ryzyka związane z brakiem możliwości podłączenia nowych OZE i dlatego pytają nas o magazyny energii. Niektórzy już rozpoczęli budowę magazynów energii przy źródłach OZE, głównie przy dużych farmach PV. Problemy energetyki zawodowej dają też pozytywny efekt właśnie dla producentów magazynów energii. Energia, która nie trafi do sieci będzie musiała trafiać do magazynów energii. To wiąże się z dwiema przyczynami. Pierwszą jest zapewnienie odpowiedniego cyklu produkcji energii, a z drugiej strony poszukiwania modeli biznesowych, które pozwolą na elastyczny handel tą energią. Rozwój OZE wpłynie na to, że cena energii wyprodukowana z tych źródeł będzie spadać. To spowoduje, że atrakcyjnym będzie jej magazynowanie i sprzedawanie w momentach, kiedy cena energii będzie wyższa. Obecnie, pik cen energii pojawia się przed godziną 8 rano. Po godz. 9 cena energii spada, ze względu na włączenie się do generacji źródeł PV. Ten drugi szczyt, wczesno-ranny, jest sygnałem, aby tę energię właśnie wtedy oddawać do systemu, aby wykorzystać najkorzystniejszy model biznesowy. Niestety wciąż różnice w cenie energii na rynku bilansującym są niewystarczające, to efekt niedojrzałości rynku i braku jego reakcji na impulsy rynkowe. Przykładem może być tutaj awaria w Bełchatowie, gdzie wydawało się, że po takiej awarii ceny energii na giełdzie powinny poszybować w górę, co byłoby np. doskonałym biznesem dla magazynów energii (szybszy zwrot z inwestycji), a tymczasem po interwencji PSE wzrosty były niewielkie. Chociaż koszty tej interwencji na pewno były wysokie. Wszyscy liczymy na to, że po wejściu kontraktów 15 minutowych rynek się ożywi, a na pewno byłby lepszy gdyby funkcjonowały kontrakty 5 minutowe. Do szczęścia dla operatorów magazynów energii brakuje jeszcze kontraktów na usługi elastyczności zamawianych przez operatorów spółek dystrybucyjnych. Mamy nadzieję, że to się stanie, bo system energetyczny tych usług potrzebuje, a żadna instalacja nie przebije w szybkości reakcji magazynów energii. Do tego cena magazynów energii spada cały czas. Koszt kWh z całym osprzętem, czyli inwerterem, systemami przeciw pożarowymi, systemem BMS, wentylacją HVAC wynosi obecnie 1000-2000 zł.

Elementem, który na pewno interesuje potencjalnych nabywców przydomowych magazynów energii jest długość cyklu życia takiej instalacji. Wszak wydając tak duże kwoty, chcemy mieć pewność, że inwestycja się zwróci.

To jest dobre pytanie. Teoretyczny cykl funkcjonowania takiego magazynu bateryjnego w technologii litowo-jonowej to 20 lat. Ale podkreślam, że to teoria. W praktyce zakłada się 10 lat. Na tyle też renomowani producenci ogniw dają gwarancje. Niestety mamy też problem z żywotnością ogniw, ponieważ większość ogniw do Polski trafia z Chin. Efekt jest taki, że w dokumentacji Chińczycy zapewniają, że baterie te mają od 6-10 tys. cykli, odpowiadające okresowi 15-20 lat. Kiedy jednak one trafiają do Polski, często konieczne jest badanie ogniw, które wykazują dużą różnicę w stosunku do tego, co wynika z deklaracji producenta. Jeżeli firma montująca magazyn energii z ogniw chińskich nie wykona badań sprawności przed sprzedażą produktu, to może się okazać, że różnice napięciowe mogą doprowadzić do awarii poszczególnych elementów magazynu. Po takiej awarii, trudno jest wymienić uszkodzone ogniwa na nowe, bo często producent chiński już nie dysponuje takimi samymi ogniwami. W efekcie doprowadzenie instalacji do użytkowania stanowi duży problem i generuje dodatkowe wysokie koszty. Skala rozwoju magazynów energii będzie wymagała zintensyfikowania prac nad mechanizmami kontroli jakości importowanych ogniw, np. poprzez certyfikaty czy homologacje dopuszczające ich obrót na rynku UE. Od kilku lat coraz większe inwestycje w produkcję magazynów energii tworzy się w Europie, aby ustrzec się od tych problemów jakościowych importowanych ogniw. Jednak to trochę potrwa.

Wspomniał Pan o imporcie z Chin. Czy Polska ma potencjał do budowy własnych technologii magazynowania energii? To rozwiązałoby sporo problemów i logistycznych i serwisowych klientów.

Jako stowarzyszenie braliśmy udział w propagowaniu polskiego projektu, dotyczącego opracowania baterii kwasowo-ołowiowej z wykorzystaniem węgla aktywnego, co znacznie polepszyło parametry tej baterii, jednak minęło ponad trzy lata, a projekt nie wyszedł z fazy laboratoryjnej do fazy komercyjnej. Jest światło w tunelu przy opracowywaniu innych elementów magazynów energii, niekoniecznie samych ogniw. Jesteśmy dosyć mocni w zakresie energoelektroniki, systemów IT czyli komponentów zarządzających, sterujących czy systemów przeciwpożarowych, które są kluczem w magazynach energii. Kolejnym segmentem jest rozwój magazynów energii w oparciu o baterie z sektora motoryzacyjnego, czyli tak zwane „second life”. Chodzi o modyfikację akumulatorów z samochodów np. elektrycznych, które mogłoby po odpowiednim dostosowaniu pełnić funkcję przydomowych magazynów energii. PIME właśnie wspiera powstanie takiego startupu. Pytanie pojawia się jednak o skalę takiego przedsięwzięcia, ale pod względem technologii mamy szansę na zaistnienie na rynku. To potencjalna szansa dla polskich przedsiębiorców i branży energetycznej.

Z czego wynikają problemy z materializacją i komercjalizacją tych badań?

To nie jest tylko problem baterii czy magazynów energii jako takich. To problem znacznie szerszy. Proszę zauważyć, że od czasu transformacji politycznej, jako Polska nie jesteśmy producentem żadnej, rozpoznawalnej technologii. Inne kraje potrafiły tego dokonać, np. Finlandia, która wypromowała swoją Nokię na rynku światowym. U nas natomiast te wszystkie projekty, które się narodzą, jak np. niebieski laser czy grafen, giną w mrokach procedur lub braku decyzyjności. Chcemy przy tym łapać wiele srok za ogon, rozdrabniamy zespoły naukowe, rozdrabniamy finanse. Nie jesteśmy państwem, które ma skalę bycia liderem we wszystkich technologiach. Powinniśmy wybrać kilka projektów i konsekwentnie je realizować, aż do ich skomercjalizowania. Problemem jest też brak dostatecznego finansowania i uproszczenia procedur wykorzystania środków. Szczególnie, np. na duży innowacyjny projekt na który trzeba wydać 1-2 mld zł. Nawet mniejsze kwoty jak się pojawiają, to ich wykorzystanie obarczone jest dużym ryzykiem. Przykładowo linia produkcyjna ogniw do baterii w Chinach mierzy ponad kilometr długości i kosztowała kilkaset milionów dolarów. Same badania nad technologią ogniw prowadzone są od kilkudziesięciu lat i pochłonęły miliardy dolarów. Kilka lat temu Polska miała szansę wybudować fabrykę ogniw litowo-jonowych i nie mówię tutaj o fabryce składania akumulatorów z importowanych ogniw. Zabrakło decyzji, aby wydać 1 mld zł. Na razie NCBIR przeznaczyło na polski magazyn energii z polskim ogniwem 20 mln złotych. Doceniamy ten gest, bo dzięki tym środkom może uda się zbudować jakiś prototyp. Ale to kropla w morzu potrzeb.

Jak wesprzeć zatem rozwój branży związanej z magazynami energii? Czy może takiego wsparcia ze strony państwa być nie musi, bo ta technologia z biegiem lat sama się rozwinie pod wpływem popytu rynku, jak w przypadku paneli PV?

Zdecydowanie państwo powinno reagować, powinno wspierać. Najlepszym rozwiązaniem jest myślenie holistyczne, kompleksowe. Czyli np. jeżeli tworzymy program wspierający domowe instalacje fotowoltaiczne, to powinniśmy jednocześnie wesprzeć budowę przydomowych magazynów energii. Już na etapie przygotowania programu Mój Prąd przewidywaliśmy to, co pojawia się już dzisiaj. Przy dużej liczbie przydomowych PVek będą występowały problemy z ich eksploatacją ze względu na słabość sieci elektroenergetycznych. To widać dzisiaj w miejscach dużej koncentracji takich instalacji, gdzie dochodzi do przekraczania napięcia na transformatorach i ich automatycznym odłączaniu od sieci. Tak się dzieje, m.in. w miejscowości Ochotnica w Małopolsce, gdzie praktycznie wszystkie gospodarstwa domowe posiadają panele fotowoltaiczne, które nie mogą pracować ze względu na przekraczanie napięcia. Napędziliśmy rynek do ponad pół miliona zainstalowanych instalacji, ale nie pobudziliśmy instalacji magazynów, które w naturalny sposób wspierałyby te instalację i sam prosumeryzm. Prosumeryzm jest ideą, w której wygenerowaną energię wykorzystujemy na własne potrzeby. Przy dzisiejszym systemie, mamy tak naprawdę prosumenta papierowego, bo musi oddać energię do sieci i dopiero potem papierowo rozlicza się z koncernem energetycznym.

W momencie, kiedy promujemy pompy ciepła, promujemy ładowarki, powinniśmy też promować magazyny energii. Bo zwiększając ilość urządzeń, które zależne są od prądu z gniazdka, jeszcze bardziej pogarszamy sytuację całego systemu elektroenergetycznego. Efekt jest taki, że sieci potrzebują pilnego dofinansowania i rozbudowy, a technologia magazynowa pozwala w łatwy sposób rozwiązać ten problem bez kosztownych inwestycji ze strony operatora sieci przesyłowych. My w 2019 roku zgłosiliśmy pomysł, aby powstał projekt Mój Magazyn Energii. Zakładaliśmy wtedy, że instalacja fotowoltaiczna o mocy 5KWh potrzebować będzie magazynu energii o pojemności 10-12KWh. Poziom dopłat miał wynieść 50 procent ceny magazynu, czyli koszt sięgał wtedy około 15 tys. złotych. Dzisiaj to są nieaktualne ceny. Wówczas koszt takiej instalacji z magazynem energii to ponad 40 tys. złotych, dzisiaj można to zrobić za około 30 tys. złotych. Pożytek dla systemu energetycznego byłby niesamowity, plus uwolnienie biznesu agregatorów, którzy kontraktują moce energetyczne z OZE i oferują je na rynku bilansującym.

Na szczęście resort klimatu i środowiska dostrzega te problemy i nastąpiła korekta rozliczeń dla nowych prosumentów w programie Mój Prąd 3.0 i zapowiedź wsparcia dla przydomowych magazynów energii w przyszłorocznym programie Mój Prąd 4.0. Czekamy na konkrety, od kiedy ruszy program i na jakim poziomie będzie dofinansowanie. Na pewno potrzebne tez jest wsparcie dla magazynów o większej mocy, np. dla jednomegawatowych instalacji OZE, które wygrały aukcje. Efektywność tych instalacji OZE radykalnie wzrosłaby gdyby pracowały z magazynami energii. Ważnym elementem wsparcia branży magazynowania energii będą środki publiczne z KPO i innych funduszy publicznych. I tutaj PIME powołało Grupę Roboczą ds. Krajowego Planu Finansowania Magazynowania Energii, w ramach której działa osiem zespołów problemowych, których zadaniem jest zidentyfikowanie najbardziej opłacalnych modeli biznesowych, np. usług elastyczności oraz barier, które należy znieść, aby efektywnie wykorzystać środki publiczne na wsparcie rozwoju rynku magazynowania energii. Do tego w ramach tej Grupy będziemy rekomendować realizację projektów pilotażowych ze środków publicznych, które mają za zadanie otworzyć niedostępne na tę chwilę modele biznesowe. W ramach Grupy działają nie tylko członkowie PIME, ale też eksperci, którym jest bliska idea rozwoju komercyjnego rynku magazynowania energii. Forum jest otwarte i zapraszamy chętnych do współpracy. Z kolei w ramach współpracy PIME z 23 europejskimi organizacjami magazynowania energii przesłaliśmy list otwarty do Komisji Europejskiej i Parlamentu Europejskiego o zwiększenie środków (dotacji, pożyczek) na rozwój rynku magazynowania energii. W tej sprawie przedstawiciele naszej grupy spotkali się już z Przewodniczącym Komisji Europejskiej i magazyny energii dostaną większe wsparcie.

Rozmawiał Mariusz Marszałkowski

MKiŚ: Nowy system wsparcia PV ma uczynić prosumenta świadomym, a nie biernym graczem