Tretyn: Bez magazynów zapomnij o transformacji synu (ANALIZA)

4 stycznia 2022, 07:35 Bezpieczeństwo
Magazyn energii. Fot. Energy Vault
Magazyn energii. Fot. Energy Vault

W ostatnim czasie o magazynach energii słyszy oraz można usłyszeć coraz więcej. Jaka jest ich rola w procesie transformacji energetycznej oraz czy są niezbędnym elementem całego procesu przejścia na energetykę zero i niskoemisyjną? O udziale magazynów energii w procesie transformacji energetycznej pisze redaktor BiznesAlert.pl Aleksander Tretyn.

Dlaczego potrzebujemy magazynów energii?

Unijna polityka klimatyczna zakłada w najbliższych latach odejście od konwencjonalnych, wysokoemisyjnych źródeł energii i przejście na zeroemisyjne źródła energii takie jak słońce czy wiatr.

Europejski Zielony Ład opublikowany w grudniu 2019 roku zakłada osiągnięcie zerowego poziomu emisji gazów cieplarnianych netto do roku 2050. Niedawno ogłoszony pakiet „Fit for 55” ma jednak nadać tempo zmianom, gdyż zakłada iż do roku 2030, emisja gazów cieplarnianych zostanie zredukowano o 55 procent względem roku 1990.

Transformacja energetyczna w najbliższych latach będzie opierała się między innymi na budowie nowych, nisko- i zero- emisyjnych źródeł energii. Źródła te mają wiele swoich zalet lecz również posiadają kilka istotnych wad, które mogą zagrozić bezpieczeństwu energetycznemu. Główną, a zarazem największą wadą OZE jest ich niestabilność oraz ograniczona sterowalność.  W przypadku źródeł energii pogodowo zależnych w dużej mierze jesteśmy uzależnieni od tego jak wiatr zawieje czy też słońce zaświeci.

W celu budowy systemu energetycznego opartego na zielonych źródłach energii, wraz z nowymi inwestycjami wiatrowymi czy też słonecznymi należy pamiętać o rozwoju magazynów energii, które pozwolą na uelastycznienia sieci, zapewnieniu stabilności  systemu elektroenergetycznego oraz bezpieczeństwa energetycznego Polski.

Magazyny energii, ze względu na charakterystykę funkcjonowania możemy sklasyfikować w czterech kategoriach: elektrownie szczytowo-pompowe, magazyny mechaniczne, magazyny elektrochemiczne oraz magazyny ciepła. Największy udział w światowym rynku magazynów stanowią elektrownie szczytowo pompowe, które odpowiadają za ponad 95 procent światowych zdolności magazynowania energii. Na dalszych miejscach pod względem zdolności magazynowania energii znajdują się odpowiednio magazyny ciepła, magazyny elektromechaniczne oraz magazyny mechaniczne.

Wśród wszystkich magazynów energii, to właśnie elektrownie szczytowo-pompowe charakteryzują się największym zakresem mocy oraz najdłuższą żywotnością – największa elektrownia szczytowo pompowa na świecie ma około 3 GW mocy, zaś w Polsce największa elektrownia szczytowo pompowa ma nieco ponad 700 MW.

Elektrownie szczytowo-pompowe (ESP) funkcjonują w cyklu dziennym oraz sezonowym co oznacza, że bardzo dobrze sprawują się w długoterminowym magazynowaniu energii. W związku ze swoją charakterystyką działania, elektrownie te mogą służyć do uelastyczniania sieci oraz zapewnienia stabilności dostaw. W przypadkach kryzysowych są również w stanie „uwolnić” dużą moc, dzięki czemu możemy uniknąć przerw w dostawie energii.

Niestety ich znaczącą wadą jest fakt, iż zajmują bardzo dużo miejsca, co zmniejsza możliwość lokalizacji tak by funkcjonowały w synergii z odnawialnymi źródłami energii. Dla lokalizacji tego rodzaju elektrowni ważne jest również ukształtowanie terenu.

Rozpatrując inwestycję w ESP oraz długość funkcjonowania takiego magazynu koszty zarówno eksploatacyjne jak i operacyjne w porównaniu do innych form magazynowania energii są stosunkowo niskie. Koszt operacyjny wynosi około 0.0005 USD/kWh zaś koszt eksploatacyjny wynosi od 3 do 8 USD/kW/rok. Omawiana forma magazynowania energii jest już w znacznym stopniu rozwinięta technologicznie, dzięki czemu kolejne inwestycje mogą być sprawnie realizowane. W Polsce aktualnie łączna moc ESP wynosi nieco ponad 1,7 GW, zaś całkowity potencjał szacuje się na około 3-4 GW.

Technologie, które można wykorzystywać przy odnawialnych źródłach energii, a zwłaszcza przy stabilizacji pracy elektrowni wiatrowych to bezładnikowe magazyny energii (koła zamachowe).

Energia w tej technologii magazynowana jest w postaci energii kinetycznej. Koło zamachowe rozpędza się w fazie ładowania zaś gdy jest rozładowywane przyhamowuje. Zakres mocy tego rodzaju magazynów jest bardzo mały, gdyż wacha się od 0,1 do 20 MW. Dużą zaletą tych magazynów jest wysoka sprawność, która przekracza nawet 90 procent. Koła zamachowe wykorzystywane są jako stabilizatory dla sieci w przypadku nagłych zmian częstotliwości i napięcia. Żywotność takiej instalacji jest stosunkowo długa, gdyż sięga blisko 20 lat, zaś w przeliczeniu na cykle może wynieść ona do 10 000 000 cykli.

Kolejna forma magazynowania energii, którą należy wyróżnić to wykorzystanie najmniejszego pierwiastka jakim jest wodór jako nośnika energii. Ze względu na swą charakterystykę H2 w czystej postaci posiada niezwykle wysoką gęstość energii, która jest nawet 5 krotnie wyższa od energii z węgla kamiennego. Wodór ze względu na swą charakterystykę może już w niedalekiej przyszłości odgrywać istotną rolę jako nośnik energii. Dzięki swoim właściwościom oraz możliwości między innymi elektrolizy nadmiar energii pochodzącej z OZE może zostać wykorzystany do produkcji bezemisyjnego wodoru, który może następnie zostać wykorzystany jako materiał magazynujący energię, w transporcie czy też przemyśle.

Jedną z największych wad wodoru są obecnie wysokie koszty operacyjne i eksploatacyjne, które oscylują w przedziale 15-50 USD/kW. Z racji, iż technologie wodorowe dopiero się rozwijają w najbliższym czasie możemy spodziewać się, iż koszty te będą systematycznie malały, co sprawi iż pozyskiwanie oraz magazynowanie energii z wodoru stanie się bardzie przystępne cenowo.

Form oraz technologii magazynowania energii jest stosunkowo wiele. Jedne z nich są na bardziej zaawansowanym etapie rozwoju inne zaś stawiają dopiero swojej pierwsze kroki w sektorze energetycznym. Dobrze znaną metodą magazynowania energii są ogniwa galwaniczne. W sektorze energetycznym najszersze zastosowanie znajdą akumulatory Li-ion, które można wykorzystać przede wszystkim przy magazynowaniu energii oraz jako baterie w samochodach elektrycznych. Akumulatory te charakteryzują się jedną z najwyższych sprawności wśród wszystkich magazynów energii, gdyż wynosi ona ponad 95 procent. Żywotność baterii Li-ion wynosi  zaś około 10 000 cykli, co przekłada się na maksymalnie 15 lat użytkowania. Z racji na rozwój technologii koszt magazynów bateryjnych z roku na rok jest coraz niższy. Do 2050 roku szacuje się, że koszt inwestycyjny będzie wynosił poniżej 75 USD/kWh. Baterie te jednak swoje główne zastosowanie znajdą nie w energetyce lecz w transporcie. Według szacunków do 2028 roku ogniwa Li-ion będą stanowiły zaledwie 0,1 TWh jako magazyn energii, zaś w samochodach elektrycznych stanowić będą 1 TWh. W dalszej perspektywie czasowej zwiększy się jednak udział akumulatorów Li-ion, gdyż do 2040 ma on wynieść nawet 1,3 TWh. Wzrost ten związany jest z wykorzystaniem zużytych akumulatorów samochodowych jako stacjonarnych magazynów energii.

Technologie typu Li-ion znajdą swoje zastosowanie między innymi jako narzędzia do uelastyczniania sieci. Dzięki swojej pracy w cyklu dobowo dziennym będą mogły służyć między innymi jako magazyny dla nadwyżek energii wyprodukowanych z wiatru czy też ze słońca.

Aktualnie na rynku dostępnych jest wiele form magazynowania energii, powyżej omówione magazyny energii stanowią zaledwie nieznaczną cześć całego rynku magazynów energii.

Wraz z kolejnymi farmami wiatrowymi czy też fotowoltaicznymi konieczne będą inwestycje w magazyny energii. Co prawda nie mogą być one  zlokalizowane w dowolnym miejscu, jednak mając tak szeroki wybór możliwości magazynowania energii,  w najbliższym czasie przy nowopowstałych instalacjach OZE wskazane jest by powstały również magazyny energii, które będą w stanie zapewnić stabilność i elastyczność systemu elektroenergetycznego.  Odnawialne źródła energii bez rozwoju magazynów energii sprawią więcej problemów w systemie elektroenergetycznym niż będzie z nich pożytku.

Źródło: Dostępne i przyszłe formy magzynowania energii. Raport Fundacji WWF Polska 

Tretyn: OZE nie uchronią Polski przed blackoutem bez magazynów energii (ANALIZA)