Magazyny energii są kluczowym elementem elastycznego zarządzania dostawą energii i przyszłością nowoczesnych systemów energetycznych.
Myśląc o energii, rozważanie powinno dotyczyć trzech elementów: produkcji, magazynowania i dystrybucji. Często świadomie lub nie, planowana jest wyłącznie produkcja, przez co dochodzi do nieporozumień lub kłopotów.
Przewidywanie zużycia energii
Zapotrzebowanie na energię nie jest stałe w ciągu doby. Jest za to bardziej przewidywalne niż pogoda – przynajmniej obecnie. W nocy większość ludzi śpi, a większość fabryk nie pracuje – zapotrzebowanie jest niskie. Największe zapotrzebowanie jest pomiędzy 6:00 a 8:00. Poranny bum zmniejsza się, gdy ludzie docierają do pracy i szkoły. Ponownie rośnie, gdy wracają do domów i utrzymuje się na wysokim poziomie, nim nie udadzą się do łóżek. Ciepłe dni mogą zachęcać do aktywności na powietrzu lub używania klimatyzacji. Skoki narciarskie przyciągają przed telewizory, ale ważny mecz wyciąga ludzi z domów do pubów. Wspólne przeżywanie piłkarskich emocji, to mniej włączonych telewizorów, mniej uruchamianych mikrofalówek do przyrządzania przekąsek – mniejsze zużycie prądu w skali kraju. Z odpowiednim narzędziem analizy i dużym zbiorem danych jest to przewidywalne, ale komplikuje się wraz z przydomowym OZE i magazynami energii.
Elektrownie węglowe i atomowe mają ograniczone możliwości dostosowywania produkcji do aktualnych potrzeb. W przypadku zwiększonego zapotrzebowania można skorzystać z elektrowni gazowych lub magazynów energii, w których proces ten jest szybszy.
Wzrost zainteresowania fotowoltaiką pokazał, że nie o samą produkcję chodzi. System przez lata był modyfikowany dla uzyskania maksymalnej stabilności. Nie stworzono go, by w czasie średniego zużycia energii wprowadzać do niego ogromne zasoby, w sposób nagły (w porównaniu do działania głównych producentów).
Magazyny energii: elektrownia szczytowo-pompowa
Elektrownie produkują przez całą dobę w tym samym tempie. Nadwyżki nocne umieszczają w magazynie, zwykle elektrowni szczytowo-pompowej (95% energii jest tak przechowywana), a potem zwracają tą energię do sieci, gdy jest potrzebna.
System taki to dwa zbiorniki – jeden na górze, drugi na dole. Nadwyżki energii używane są do przepompowania wody z dolnego zbiornika do górnego. Gdy energia jest potrzebna, spuszcza się wodę z górnego zbiornika do dolnego (przez turbiny). Strata to ok 20%. W Polsce taki system istnieje na przykład w elektrowni w Żarnowcu (moc 716 MW, pojemność 3,6 KWh). Rozwiązania tego typu pozwalają uzyskać energię bardzo szybko, co rekompensuje wady elektrowni magazynujących w ten sposób energię. Wymagają jednak odpowiedniego ukształtowania terenu, bo wysokość górnego zbiornika oraz jego pojemność to kluczowe elementy. Nie jest to również mechanizm do zastosowania domowego.
Magazyny akumulatorowe
Przydomowe magazyny energii oparte są na akumulatorach (kwasowo-ołowiowych lub litowo-jonowych). Ich wadą jest ciężar, trwałość, a w przypadku tych drugich, cena. Dużą zaletą jest możliwość rozwoju. Póki brak innych rozwiązań do zastosowania domowego, a wszystko wskazuje na duży wzrost popytu (zwłaszcza dzięki dopłatom), to rynek pozwala się dorobić, rozpychać łokciami i zbudować imperium. Z drugiej strony, zasoby litu nie pozwolą na wygenerowanie właściwej podaży. Wojna producentów wymusi innowacyjność, co będzie korzystne dla odbiorców, OZE, przemysłu i samych twórców (przynajmniej tych, którzy przetrwają).
Magazyny grawitacyjne
Prócz tych dwóch monopolistów istnieją także inne koncepcje magazynowania energii. Ciekawym rozwiązaniem korzystającym z siły grawitacji (jak elektrownia szczytowo-pompowa) są różne formy magazynów grawitacyjnych. Rozwiązania te, zamiast wody, używają bardzo dużych ciężarków. Samo obciążenie wykonane jest zwykle z betonu, ale nic nie stoi na przeszkodzie, by użyć do nich czegokolwiek, nawet nietoksycznych odpadów. Zasada działania jest taka sama jak w przypadku wody. Nadwyżki energetyczne używane są do podniesienia ciężaru, a opuszczanie ciężaru generuje prąd. Dużą zaletą jest forma obciążenia, która pozwala na bardziej różnorodne zastosowanie.
Gravitricity (z Wielkiej Brytanii) planuje używać starych szybów kopalń. Pozwala to na obniżenie kosztów przez wykorzystanie już istniejącej infrastruktury. Obciążenie poruszające się w szybie daje też możliwość sterowania prędkością wznoszenia i opadania ciężaru, co daje dużą kontrolę nad zużyciem i produkcją prądu. Gdy wziąć pod uwagę, że głębokość niektórych kopalń dochodzi do 4 km, to pojemność takiego magazynu staje się naprawdę bardzo duża. Niestety, możliwości lokalizacyjne są jeszcze bardziej ograniczone niż w przypadku rozwiązań opartych na wodzie.
Z rozwiązaniem tego problemu przychodzi firma Energy Vault (ze Szwajcarii), która proponuje budowanie wieży za pomocą wysokich żurawi. Nadwyżką energii budowana jest wieża – rozkładana, gdy trzeba energię odzyskać. Kluczem jest automatyzacja procesu i odpowiednio wysokie dźwigi. Możliwość długotrwałego bezstratnego magazynowania oraz dość swobodnego poszerzania obszaru magazynowania to wielka zaleta tego pomysłu. Niestety zalety te wymagają urządzeń pozwalających na dużą mobilność w poziomie. Składowanie obciążenia w momencie rozkładania może wymagać wiele miejsca i wiele energii.
Trzecie rozwiązanie zaproponowała firma Ares z USA. Wykorzystuje ona wagoniki wciągane na wzniesienie po torach. Zdaje się to być naturalnym rozszerzeniem elektrowni szczytowo-pompowych i jak one, wymaga tych samych warunków. Słabością może się tu okazać cena początkowej inwestycji oraz serwisowanie. Torowiska, wagoniki, maszty, okablowanie, generatory. Dużo stali i miedzi, mało taniego obciążenia.
Magazyny energii: ciepło i ciśnienie
Wśród innych rozwiązań jest na przykład magazynowanie energii w sprężonym powietrzu. Sama zasada jest taka sama. Zużywa się energię na wtłoczenie powietrza do zbiornika i stworzenie w nim wysokiego ciśnienia. Gdy energia jest potrzebna, uwalnia się powietrze przez turbinę. Magazyny miałyby być zlokalizowane na dnie morza, ale rozważa się również podziemne jaskinie i opuszczone kopalnie.
Kolejną, całą dziedziną rozwiązań jest termiczne przechowywanie energii (Thermal Energy Storage, TES). Przykładem jest bateria piaskowa firmy Polar Night Energy (z Finlandii) zamontowana w elektrowni Vatajankoski. Wyglądem przypomina silos. Wewnątrz znajduje się 100 ton piasku, który za pomocą energii ze źródeł odnawialnych podgrzewany jest do 600 stopni Celsjusza. Ciepło to ogrzewa powietrze, którym podgrzewa się wodę. Można wykorzystać samą wodę do kąpieli lub ogrzania domu lub przetworzyć ją na prąd.
Warto tu wspomnieć, że nadal żyjemy w epoce maszyn parowych. Elektrownie, nawet te atomowe, produkują energię poprzez podgrzewanie wody, wytworzenie pary wodnej i użycie jej do poruszenia turbin.
Innymi wymiennikami ciepła, które mogą służyć do przechowywania energii są roztwory soli – można je nagrzać nawet do 1400 stopni. Zastosowanie soli, także w akumulatorach, przy produkcji wodoru i amoniaku (który może być kolejnym paliwem przyszłości) to temat na oddzielny artykuł.
Żyrobus – magazyn energii w oparciu o koło zamachowe
Przedwcześnie zapomnianym sposobem przechowywania energii kinetycznej są koła zamachowe. Koło gromadzi energię kiedy jest napędzane i można ją z niego odzyskać poprzez jego wyhamowywanie. Wykorzystuje się je w silnikach samochodowych do zwiększenia płynności jazdy, ale znacznie większe mechanizmy można używać do przemysłowego przechowywania energii. O wydajności decyduje wielkość oraz optymalizacja tarcia (magnetyczne łożyska, zawieszenie w próżni). Koło sprawdza się w krótkim, planowym przechowywaniu, do kilkunastu godzin. Przykładem ciekawego wykorzystania w przeszłości był żyrobus. Autobus posiadał 160 cm koło zamachowe, które było rozkręcane przez podłączenie do sieci, w czasie postoju na przystankach i napędzało pojazd w czasie ruchu pomiędzy nimi. Mógł przejechać do 10 km na jednym naładowaniu z prędkością do 60 km/h i zabrać do 90 pasażerów. Całkowicie mechaniczna, zeroemisyjna konstrukcja. Eksperymentalne linie żyrobusowe znajdowały się Szwajcarii, Austrii, Belgii i Kongo. Pierwszą linię utworzono w 1951 roku, a ostatnią zamknięto w 1970 roku – co dowodzi, że miało to praktyczne zastosowanie.
Podsumowanie
Te kilka przykładów pokazuje różnorodność oraz potencjał branży magazynów energii. To dobra wiadomość dla OZE. Brak zamknięcia na pojedynczych rozwiązaniach daje szansę odkrycia czegoś rewolucyjnego. Pozwala również na dywersyfikację metod przechowywania oraz zarządzania energią.
Na koniec należy też wspomnieć o zagrożeniach, czy zmianach, jakie przyniosą magazyny energii. Obecnie, można przewidywać produkcje oraz konsumpcję energii – choć nie jest to tak łatwe jak wcześniej. Gdy więcej osób (oraz prywatnych przedsiębiorstw) zainwestuje w magazyny energii, a ustawodawca wprowadzi godzinowe ustalanie ceny, to zacznie się na tym rynku era spekulacji. To będzie czas próby dla wszystkich, a branża magazynów energii może wzbudzić zainteresowanie nawet u tych, którzy nie posiadają OZE.
Magazyny energii to intrygujący temat, który będziemy dalej rozwijać. W międzyczasie zachęcamy do zapoznania się z innymi tekstami odnośnie OZE w dziale Ciekawostki oraz naszymi celami i ideami. Zachęcamy też do wsparcia Fundacji Utopia darowizną, by kolejne opisywane rozwiązania dotyczyły naszych autorskich projektów.