Magazynowanie energii – dlaczego słyszysz o nim coraz częściej? Na jakich zasadach działają magazyny energii? Jak mogą nam pomóc w dekarbonizacji energetyki (rezygnacji z wykorzystania paliw kopalnych)?
Zatrzymanie zmiany klimatu wymaga ograniczenia emisji gazów cieplarnianych związanych z działalnością człowieka. Ważnym źródłem tych emisji jest produkcja energii (globalnie aż 33% wg IPCC AR6 WG3 TS, 2022), bazująca w dużej mierze na paliwach kopalnych. Zmniejszenie emisji dwutlenku węgla, wynikających ze spalania węgla, ropy czy gazu można osiągnąć zastępując te źródła energii innymi. Na pierwszy plan wysuwają się tu tzw. “odnawialne źródła energii” (energia słoneczna, wiatrowa, wodna, pływowa itd.), w skrócie zwane OZE. Według specjalnego raportu IPCC z 2018, w scenariuszach pozwalających na zatrzymanie zmiany klimatu na poziomie 1,5℃ z prawdopodobieństwem powyżej 50%, powinny one odpowiadać za większość światowej produkcji energii (ponad 70%) już w połowie XXI w.
Czym jest magazyn energii i do czego go potrzebujemy?
Zwiększenie udziału OZE w światowym miksie energetycznym wymaga gruntownej przebudowy systemów energetycznych. Część źródeł energii odnawialnej dostarcza jej w sposób niestabilny, np. zależnie od warunków pogodowych. Przykładowo: w przypadku energetyki słonecznej produkcja prądu jest możliwa w ciągu dnia, a wówczas może zachodzić z różną intensywnością, w zależności m.in. zachmurzenia.
Jeśli w związku ze sprzyjającą pogodą generowane jest jednocześnie bardzo dużo energii elektrycznej, to może dochodzić do jej marnotrawienia: na przykład dlatego, że sieć elektryczna nie jest przystosowana do jej przyjęcia i systemy bezpieczeństwa mogą odcinać producentów od sieci. Problem oczywiście narasta wraz z rosnącą liczbą prosumentów energii. Rozwiązaniem może być magazynowanie energii, które pozwala wykorzystać nadwyżkę wyprodukowanej energii w innym terminie, na przykład wtedy, gdy bieżące zapotrzebowanie jest większe od dostępnej produkcji.
Magazyn energii – urządzenie lub zestaw urządzeń pozwalających na przechowywanie energii i wykorzystanie jej wtedy, gdy jest na nią zapotrzebowanie.
Jak magazynować energię, czyli “na co przerobić prąd”?
Systemy magazynowania energii można klasyfikować na podstawie różnych kategorii, jak np. maksymalny czas przechowywania energii, możliwość zastosowanie w konkretnych dziedzinach (np. transporcie), bądź też forma przechowywanej energii (np. elektryczna, mechaniczna… (Koohi-Fayegh i Rosen, 2020).
Krótkoterminowe magazynowanie oznacza przechowywanie energii w skali godzin – dni, natomiast długoterminowe – nawet do pół roku (co może być przydatne, gdy występuje zróżnicowanie w możliwości produkcji energii w różnych porach roku, np. między latem i zimą).
Energia elektryczna
W systemie energetycznym najczęściej mamy do czynienia z energią elektryczną, przesyłaną za pośrednictwem prądu. Zacznijmy więc od magazynów opartych na typowych elementach, jakie występują w układach elektrycznych.
Energię elektryczną można magazynować na przykład przy użyciu kondensatorów (czyli elementów składających się z dwóch przeciwnie naładowanych okładek, pomiędzy którymi znajduje się dielektryk – materiał praktycznie nie przewodzący prądu – w którym powstaje pole elektryczne). Wykorzystywane są też superkondensatory (patrz Superkondensatory – Magazyny energii (e-magazyny.pl)), które w porównaniu do zwykłych kondensatorów, są w stanie zgromadzić więcej energii i ładować się znacznie szybciej (Olabi i in., 2022). Jednak w porównaniu do innych magazynów energii np. elektrowni szczytowo-pompowych, oba te elementy charakteryzują się małą pojemnością, dlatego wykorzystywane są głównie w małych systemach, np. krótkoterminowego awaryjnego zasilania albo w układach odzyskiwania energii w transporcie.
Inną klasą magazynów są nadprzewodnikowe zasobniki energii, SMES (ang. superconducting magnetic energy storage), w których energia jest przechowywana w polu magnetycznym wytwarzanym przez prąd płynący przez cewkę nadprzewodzącą. Ich zaletami są wysoka wydajność, moc oraz możliwość długiego użytkowania systemu. Jednak niestety, są one dosyć drogie (Babutande i in., 2022).
Energia elektrochemiczna
Elementami, które łatwo jest wmontować w układ elektryczny są też baterie (w tym akumulatory), czyli magazyny energii elektrochemicznej. W przypadku baterii mówimy głównie o bateriach litowo-jonowych, powszechnie wykorzystywanych w wielu urządzeniach, np. w laptopach, telefonach komórkowych czy samochodach elektrycznych. Jeśli chodzi o akumulatory, to popularną odmianą są kwasowo-ołowiowe, które pomimo swojej toksyczności dla środowiska, są szeroko stosowane w samochodach z silnikiem spalinowym.
Baterią nazywamy system, składający się z dwóch i więcej ogniw, czyli urządzeń generujących prąd elektryczny w wyniku przekształcenia energii chemicznej na elektryczną. Każde takie ogniwo, składa się z
- dwóch elektrod (katody i anody), czyli metalowych płytek zanurzonych w roztworze
- oraz elektrolitu, czyli cieczy zdolnej do przewodzenia prądu, dzięki obecnym w niej jonom (cząsteczkom posiadającym ładunek elektryczny).
Substancje, z których zrobione są elektrody i elektrolit, są tak dobrane, żeby samorzutnie zachodzące pomiędzy nimi reakcje chemiczne powodowały pojawienie się na elektrodach przeciwnych ładunków. Gdy zewrzemy elektrody baterii (wstawimy ją w odpowiedni układ elektryczny, czyli np. włożymy baterię – paluszek do domowej latarki), między elektrodami popłynie prąd elektryczny.
Pojedyncza elektroda wraz z elektrolitem stanowi półogniwo, które wraz z drugim półogniwem stanowi ogniwo. Oba półogniwa mogą być zanurzone w jednym roztworze, bądź w dwóch osobnych. W drugim przypadku, ogniwa łączy się ze sobą tzw. kluczem elektrolitycznym, czyli np. szklaną rurką, co umożliwia kontakt między elektrodami.
Magazyny oparte na bateriach są obecnie intensywnie rozwijane: jeszcze w roku 2012 zainstalowana w nich moc wynosiła 1GW, a już w roku 2020 sięgnęła 17 GW. Koszty tego typu rozwiązań szybko spadają (w ciągu ostatniej dekady nawet o 90%), przez co są coraz chętniej używane w coraz większej liczbie zastosowań: nie tylko do napędzania drobnych i większych urządzeń, ale też stabilizacji napięcia w sieci (REN21, 2022). Magazyny wykorzystujące baterie litowo-jonowe odpowiadają za większość przyrostu pojemności magazynów energii na świecie po 2015. Ich zaletą jest duża efektywność (pozwalają odzyskać ponad 95% zmagazynowanej energii), a wadą stosunkowo krótki czas przydatności (IPCC AR6 WGIII, roz. 6, 2022).
Jednym z proponowanych rozwiązań z użyciem baterii litowo-jonowych jest “technologia V2G” (ang. vehicle -to- grid), czyli system, w którym przebywające w stacjach ładowania samochody elektryczne są wykorzystywane jako magazyny energii (można ją do nich przesyłać ale i od nich odbierać, w zależności od sytuacji w sieci energetycznej). Takie podejście mogłoby być sensowne w przypadku pojazdów, które większość czasu spędzają właśnie w stacjach ładowania a nie w podróży (podczas której zgromadzona w nich energia jest wykorzystywana do napędzania samochodu). Liczba pojazdów elektrycznych napędzanych bateriami wzrosła w ostatnich latach od 0,7 mln w 2015 do 4,8 mln. w 2019 r. (IPCC AR6 WGIII, roz. 6, 2022).
Rozwiązaniem z tej samej rodziny, są także ogniwa paliwowe. Są to urządzenia generujące energię elektryczną w wyniku reakcji utleniania paliwa, na przykład wodoru. Pierwiastek ten może być wytwarzany w elektrolizerach (urządzeniach rozkładających wodę na tlen i wodór) zasilanych prądem pochodzącym np. z odnawialnych źródeł energii, w okresach gdy produkują one więcej energii niż wynosi zapotrzebowanie innych użytkowników sieci energetycznej. Wodór można następnie przechowywać, transportować i zużywać, gdy jest potrzebny (podobnie, jak benzynę czy gaz), na przykład do napędzania pojazdów lub zasilania generatorów prądu. Więcej na ten temat przeczytacie w artykule Wodór i gospodarka wodorowa a klimat .
Rozwiązań pozwalających na magazynowanie energii z wykorzystaniem zjawisk elektrochemicznych jest oczywiście więcej (m.in. baterie przepływowe – Baterie przepływowe – Magazyny energii). Pracuje się także nad nowymi projektami jak i udoskonalaniem istniejących.
Energia mechaniczna
Nieco mniej oczywiste, ale za to mające długą tradycję, są magazyny energii mechanicznej, czyli energii związanej z ruchem lub położeniem obiektów. Poza szczytem zapotrzebowania energia elektryczna może być przekształcona na mechaniczną, na przykład poprzez wprowadzenie jakiegoś elementu w ruch lub podniesienie dużej masy (np. wody). Do magazynów energii tego typu należą na przykład:
- Elektrownie szczytowo-pompowe PHS (ang. pumped hydro storage), w których energia elektryczna napędza pompy przepompowujące wodę do zbiornika położonego wyżej, a następnie woda spuszczana w dół napędza turbiny wytwarzające prąd elektryczny. Elektrownie szczytowo-pompowe odpowiadają obecnie za ponad 90% światowych możliwości magazynowania energii, ich łączna moc zainstalowana przekracza 160 GW. Znajdują się przede wszystkim w Unii Europejskiej, Chinach, Japonii i USA (REN21, 2022). W Polsce największą elektrownią szczytowo – pompową jest ta w Żarnowcu, o mocy 716 MW. Łączna moc elektrowni tego typu w naszym kraju wynosi 1,5 GW i planowane są kolejne inwestycje [patrz: Świat OZE].
- Magazyny energii z kołem zamachowym FES (ang. flywheel energy storage), w których energia elektryczna napędza obracające się koło. Energię odzyskuje się podczas wyhamowywania (spowalniania) koła (Olabi i in., 2021). Podobnie jak elektrownie szczytowo-pompowe, FES są dojrzałymi rozwiązaniami, mają też dużą efektywność (udaje się odzyskać nawet 90% energii, IPCC AR6 WGIII, roz. 6, 2022) jednak dosyć szybko tracą swoją energię, a pojemność takiego magazynu zależy od wirującej masy, jej kształtu oraz prędkości obrotów. Przechowywanie energii w tych magazynach jest możliwe w czasach rzędu minut – godzin.
- Magazyny wykorzystujące sprężone powietrze CAES (ang. compressed-air energy storage), w których energia elektryczna napędza kompresor, który spręża powietrze i wtłacza je do zbiornika ciśnieniowego. Powietrze wypuszczane ze zbiornika napędza turbinę produkującą prąd (patrz Powietrze jako magazyn energii – ŚwiatOZE.pl ). Wielkoskalowe rozwiązania tego typu nie są jeszcze popularne, ale w ostatnich latach do sieci podłączono pierwsze takie magazyny w Chinach i Kanadzie, wykorzystujące jako zbiorniki istniejące wcześniej systemy jaskiń (REN21, 2022). Efektywność tego typu magazynów jest mniejsza niż wymienionych powyżej (nie przekracza 60%), ale są za to wytrzymałe (czasy ich pracy mogą być dłuższe niż 25 lat) (IPCC AR6 WGIII, roz. 6, 2022).
Energia termiczna
Do tej pory koncentrowaliśmy się na magazynowaniu energii elektrycznej: nawet jeśli była ona przetwarzana na inny rodzaj energii, to ostatecznie miała być odebrana z magazynu ponownie w postaci prądu elektrycznego. Z praktycznego punktu widzenia przydatne bywa jednak magazynowanie energii termicznej, czyli, potocznie mówiąc, ciepła. Energia cieplna przydaje się na przykład do ogrzewania budynków, wody użytkowej itp.
Energię cieplną można wytworzyć zasilając prądem elektrycznym element grzejny (np. grzałkę w piecu czy bojlerze), ale można ją też pozyskać z energii promieniowania słonecznego za pomocą kolektorów słonecznych. Energię w postaci ciepła można wykorzystać do podgrzania dobrze przechowującej ją substancji (takiej, która przyjmuje jej dużo i oddaje powoli). Taką substancją może być zarówno ciecz (np. woda lub oleje) jak różne materiały stałe (np. cegły magnetytowe w piecach akumulacyjnych). Europa dysponuje magazynami energii termicznej mogącymi pomieścić blisko 190 GWh, potencjał Chin jest prawdopodobnie większy (REN21, 2022).
Magazyny energii termicznej mają sporą efektywność (70-80%) i mogą być wykorzystywane bardzo długo (powyżej 25 lat) (IPCC AR6 WGIII, roz. 6, 2022). Niestety jednak są to obecnie magazyny krótkoterminowe, przechowujące energię przez kilka godzin do kilku dni.
Materiały PCM
Materiały PCM (ang. phase change materials), czyli materiały zmiennofazowe, są wykorzystywane w magazynowaniu energii termicznej. Są to związki chemiczne, które w trakcie przemiany fazowej (czyli zmiany struktury danej substancji, takiej jak przemiana z cieczy w ciało stałe) pochłaniają lub uwalniają wyjątkowo dużo energii (Lawag i Ali, 2022).
Materiały PCM charakteryzują się dużą pojemnością cieplną (czyli zdolnością do magazynowania dużej ilości ciepła) przy stosunkowo małej masie. Mogą być też stosowane np. w ogrzewaniu podłogowym budynków, czy też jako pojemniki do transportu leków bądź artykułów spożywczych.
Najnowsze technologie stosowane w magazynowaniu energii
Dalszy rozwój magazynowania energii, tworzenie magazynów bardziej pojemnych, praktycznych (np. mniejszych i bardziej wytrzymałych), mogących dłużej przechowywać energię , wymaga zastosowania innowacyjnych technologii. Poniżej opiszemy kilka, które są obecnie aktywnie rozwijane.
Akumulatory sodowo-jonowe
Akumulatory sodowo-jonowe (NIB) uważane za atrakcyjną technologię przechowywania, m.in. ze względu na to, że po zużyciu stanowią mniejsze zagrożenie dla środowiska niż akumulatory litowo-jonowe. Są one również uważane za tańszy odpowiednik tych ostatnich. Nośnikiem ładunku elektrycznego (czyli substancją magazynującą i przenoszącą ten ładunek) w akumulatorach sodowo-jonowych są jony sodu. Sód jest pierwiastkiem występującym bardziej powszechnie niż lit, a ponadto jego produkcja wymaga znacznie mniejszych nakładów energii, co przekłada się bezpośrednio na mniejszą emisję dwutlenku węgla (Hirsh i in.,2020, Yu i Manthiram, 2021). Akumulatory sodowo-jonowe mają jednak większą masę w porównaniu do litowo-jonowych przy tej samej ilości zgromadzonej energii (są po prostu cięższe), dlatego nadają się raczej do stacjonarnego magazynowania energii niż np. napędzania pojazdów.
Nanomateriały
Nanomateriały to materiały złożone z cząsteczek o bardzo małej wielkości (do 100 nanometrów) (Guangmin Zhou i in., 2019).
Nanocząstkami (np. aluminium albo tlenkiem miedzi) można domieszkować wspomniane wyżej materiały zmiennofazowe, wpływając na tempo, w jakim zachodzą ich przemiany (Chu i in., 2020, Hamali 2022). Ponadto dzięki wykorzystaniu nanocząstek, materiały PCM zwiększają swoje przewodnictwo cieplne, a co za tym idzie, zdolność do magazynowania i oddawania energii termicznej (J. Wołoszyn, 2022). Przykładem może być tutaj kompozyt (tworzywo złożone z co najmniej dwóch materiałów), składający się z materiału PCM i nanocząstek złota. Dzięki użyciu tych ostatnich, przewodność cieplna związków zmiennofazowych znacznie wzrasta (Zeng, i in., 2007).
Nanomateriały w różnych formach – nanorurek, nanowłókien – można też wykorzystywać do poprawy parametrów pracy elektrod w magazynach energii elektrycznej czy elektrochemicznej, na przykład:
- nanorurki węglowe zwiększając zdolność do gromadzenia ładunku na elektrodach ogniwa (patrz: Lisowska -Oleksiak i in., 2010)
- elektroda z materiału LiFePO4 w postaci nanocząstek ma lepsze parametry pracy (m.in. w ogniwie), niż taka, która w swojej budowie zawierała normalnej wielkości cząsteczki związku LiFePO4 (Osińska-Broniarz, i in. , 2022).
Ciekawym materiałem jest także nanokrzem w postaci np. nanorurek. Ostatnimi czasy krzem badany jest pod kątem wykorzystania jako materiał elektrodowy, ze względu na bardzo dobre parametry pracy. Jednak podczas reakcji zachodzących na elektrodzie mogą zachodzić zmiany w strukturze krzemu, powodujące np. zmiany objętości wykonanego z niego elementu, przez co może dojść do uszkodzenia ogniwa. Podejmowane są więc próby zmniejszenia elementów krzemowych do nanoskali, co zapobiega tym zniszczeniom, a także poprawia pojemność ogniwa (Pomerantseva i in. 2019).
Rozwój magazynów elektrochemicznych może wspomóc także wykorzystanie nanocząstek tlenku tytanu TiO2. Okazuje się, że tlenek tytanu w rozmiarze nano jest zdolny do przechowywania większej ilości ładunku elektrycznego niż w “normalnej” postaci (J. Wang i in., 2007).
Jednak pomimo wielu możliwości zastosowania nanomateriałów w różnych, nowoczesnych technologiach, posiadają one swoje ciemne strony. Np. ze względu na swój mały rozmiar, znacznie łatwiej przenikają one do środowiska naturalnego oraz przez organizm, przez co mogą stanowić zagrożenie. W związku z tym nie są one na razie szeroko stosowane i trudno powiedzieć, jakie będzie ich wykorzystanie w przyszłości.
Materiały polimerowe
Polimery, czyli cząsteczki o dużej masie, zbudowane z powtarzających się i połączonych ze sobą w sieć jednostek, są wykorzystywane m.in. w kondensatorach. Sprawiają one, że urządzenia te stają się bardziej elastyczne, przez co zwiększa się możliwość ich użycia w różnych rozwiązaniach technologicznych (Wu i in., 2022, Wang i in., 2022).
Bardziej zaawansowanym rozwiązaniem są kompozyty na bazie grafenu. Jest on stosowany np. w akumulatorach litowo-jonowych, czy też metalowo-powietrznych jako materiał elektrodowy, a także kondensatorach. Jego zalety to m.in. duża odporność mechaniczna i przewodność elektryczna (Wang i in., 2020), cechy pozwalające na budowanie bardziej uniwersalnych urządzeń, nadających się do zastosowania w trudniejszych warunkach (np. wstrząsów).
Wyzwania na drodze systemów przechowywania energii
Ważnym wyzwaniem, gdy chodzi o budowę stabilnego systemu energetycznego odpornego na krótsze i dłuższe wahania w podaży i popycie na energię, jest rozwój długoterminowych magazynów energii LDES (ang. long-duration energy storage). Mogą one magazynować energię nawet do kilku miesięcy, co pomaga na przykład neutralizować różnice pomiędzy podażą i popytem na energię, występujące w cyklu rocznym (np. gdy jakaś pora roku bardziej niż inna sprzyja produkcji prądu). Zakresy parametrów (czas magazynowania, moc i pojemność) obecnie dostępnych systemów magazynowania energii przedstawia ilustracja poniżej.
Istotnym aspektem rozwoju magazynowania energii jest także wpływ na środowisko (Al Shaqsi i in., 2020). Zastosowanie każdego rodzaju magazynu może mieć negatywne skutki dla środowiska, czy to ze względu na materiały, z których są wykonane (a których pozyskanie lub uwolnienie do otoczenia może powodować skażenie), czy konieczne przekształcenia krajobrazu (np. w przypadku elektrowni pompowo-szczytowej). Aby uniknąć pogłębiania się kryzysu ekologicznego, projektując magazyn energii należy brać pod uwagę nie tylko jego wydajność, ale też ograniczenie szkodliwości dla przyrody.
Dużą przeszkodą utrudniającą szersze wykorzystywanie systemów magazynowania energii pozostają koszty, zarówno te związane z budową lub wytworzeniem magazynu, jak i jego eksploatacją. Chociaż w wielu przypadkach spadają (IPCC AR6 WGIII, roz. 6, 2022), to wciąż są one poważne z punktu widzenia indywidualnego inwestora.
Największe wyzwanie stanowi jednak sama skala zapotrzebowania na magazynowanie, między innymi ze względu na rosnącą popularność OZE. Według opracowanej przez International Renewable Energy Agency proponowanej “mapy drogowej” pozwalającej na dekarbonizację produkcji energii pozwalającą na wypełnienie celów Porozumienia paryskiego, w połowie XXI wieku udział energetyki odnawialnej w światowej produkcji energii powinien przekroczyć 80% a zainstalowana moc magazynów energii powinna zbliżyć się wtedy do 3000 GW (IRENA, 2017), czyli zwiększyć kilkunastokrotnie w porównaniu z dniem dzisiejszym. W nowszych opracowaniach te liczby mogą być większe, ponieważ na razie ludzkość nie obniża emisji gazów cieplarnianych w tempie wystarczającym do realizacji wspomnianych celów, a to oznacza coraz ambitniejsze wyzwania w przyszłości (patrz Jak nam idzie realizacja Porozumienia Paryskiego? Jak pokazuje raport „Emissions Gap”, bardzo źle.)
Na zakończenie
Energetyka odnawialna staje się coraz bardziej popularna, w Polsce jej udział w końcowym zużyciu energii jeszcze w 2009 r. wynosił 8,68% a w 2019 r. przekroczył 15% (GUS, 2022). Wiele osób decyduje się na użycie OZE nawet w mikroskali – w obrębie gospodarstwa domowego. Oznacza to konieczność dostosowania całego systemu energetycznego do sytuacji, w której obok kilku dużych, pracujących stabilnie elektrowni, obejmuje on liczne źródła dostarczające energii w sposób nieregularny. Jednym z podstawowych problemów pojawiających się w takiej konfiguracji są lokalne i ogólnokrajowe nadwyżki oraz niedobory energii wprowadzanej do sieci.
Rozwój technik magazynowania energii i coraz liczniejsze włączanie takich systemów do sieci energetycznej może pomóc w jego rozwiązaniu. Należy jednak pamiętać, że nie wszystkie sposoby magazynowania energii, które opisaliśmy powyżej można zastosować w każdym przypadku. Wybór odpowiedniego systemu zależy od lokalizacji, źródła energii, kosztów oraz przewidywalnego wpływu na środowisko. Istotne mogą być także regulacje prawne, które mogą sprzyjać lub utrudniać wdrażanie poszczególnych rozwiązań na większą skalę.
Karolina Majewska, konsultacja merytoryczna: dr inż. Paweł Gajda, dr hab. Jacek Pniewski.
Fajnie, że tu jesteś. Mamy nadzieję, że nasz artykuł pomógł Ci poszerzyć lub ugruntować wiedzę.
Nie wiem, czy wiesz, ale naukaoklimacie.pl to projekt non-profit. Tworzymy go my, czyli ludzie, którzy chcą dzielić się wiedzą i pomagać w zrozumieniu zmian klimatu. Taki projekt to dla nas duża radość i satysfakcja. Ale też regularne koszty. Jeśli chcesz pomóc w utrzymaniu i rozwoju strony, przekaż nam darowiznę w dowolnej wysokości
