Z powodu wyczerpywania się kopalnych źródeł energii, a także wzrostu świadomości społeczeństwa i wprowadzania zasad zrównoważonego rozwoju, pojawiła się potrzeba zahamowania intensywnej eksploatacji zasobów kopalnych. Produkcja energii elektrycznej na świecie zmierza w stronę zwiększania udziału źródeł odnawialnych. W Europie realizowane jest to poprzez pakiet klimatyczny 3×20, który zmusza kraje Unii Europejskiej do podniesienia o 20% efektywności energetycznej, zwiększenia zużycia energii ze źródeł odnawialnych o 20% (w stosunku do prognoz na 2020 r.) oraz redukcji o 20% emisji gazów cieplarnianych (w stosunku do poziomu z 1990 r.). Dodatkowo w związku z ciągłym rozwojem technologicznym zapotrzebowanie na energię elektryczną stale wzrasta. Występują okresy zwiększonego popytu w godzinach porannych i popołudniowych oraz okresy zmniejszonego zapotrzebowania na energię – w godzinach nocnych. Energia z wiatru i ze Słońca jest wysoce nieprzewidywalna, bo ściśle zależy od warunków atmosferycznych, dlatego w sieci elektroenergetyczniej również podaż energii ulega znacznym wahaniom. Skupując i magazynując energię w okresach nadprodukcji, wykorzystuje się ją w późniejszym czasie w szczycie zapotrzebowania. Magazyny energii służą także poprawianiu jakości prądu tzn. częstotliwości i napięcia. Prąd w sieci elektroenergetycznej musi charakteryzować się odpowiednimi parametrami częstotliwości i napięcia, ich poziom określa jakość energii elektrycznej. W celu ustabilizowania jakości prądu stosuje się m.in. zasobniki energii. Poniższy wykres prezentuje regulację częstotliwości przy zastosowaniu koła zamachowego współpracującego z elektrownią wiatrową.
Rys.1 Wpływ zastosowania koła zamachowego na wahania częstotliwości energii elektrycznej
pochodzącej z elektrowni wiatrowej
Można wyróżnić kilka przyczyn konieczności stosowania technologii magazynowania energii:
- Wahania popytu na energię elektryczną. Elektrownie węglowe, które stanowią największy udział w światowej produkcji prądu posiadają określony poziom produkcji, przy którym efektywność jest największa, a koszt najmniejszy. Nieopłacalne jest wygaszanie kotłów węglowych. Ze względu na znaczne wahania popytu na energię elektryczną stosowane są skomplikowane systemy regulacji produkcji prądu, przez co konieczne jest wcześniejsze przewidywanie zapotrzebowania na energię. Niemożliwym jest jednak przewidywanie ze stuprocentową pewnością. Odpowiednio duże magazyny energii pozwalają na ustalenie produkcji prądu na optymalnym dla elektrowni poziomie, bez konieczności jej regulacji. W północnych Niemczech działa największy na świecie magazyn energii na sprężone powietrze, dzięki czemu kilka pobliskich elektrowni jądrowych może produkować energię na stałym, najbardziej efektywnym poziomie.
Rys.2 Wahania popytu i podaży energii w ciągu tygodnia we Francji, Styczeń 2013, MW,
biała linia reprezentuje zapotrzebowanie na energię.
- Wahania podaży energii elektrycznej. W związku z coraz większym udziałem odnawialnych źródeł energii, należy się spodziewać coraz większych wahań produkcji energii w jej ogólnym bilansie. Elektrownie wiatrowe i słoneczne pracują w sposób nieprzewidywalny, produkcja prądu zależy ściśle od warunków pogodowych. Stanowi to duży problem dla systemu elektroenergetycznego, konieczna jest efektywna koordynacja importu i eksportu energii. Magazyny energii elektrycznej rozwiązują ten problem. Na świecie powstają już turbiny wiatrowe wyposażone w elektrownie szczytowo pompowe u podstawy. Pojawiają się także pomysły zastosowania pod turbiną magazynu na sprężone powietrze. W ten sposób energią z wiatru oddawana byłaby do sieci w sposób bardziej przewidywalny, a produkowany prąd elektryczny byłyby lepszej jakości.
- Bezpieczeństwo dostaw energii – systemy UPS. Magazyny energii dostarczają mocy w przypadkach awarii w dużych centrach danych, szpitalach, mają zastosowanie w systemach awaryjnego zasilania UPS.
- Pojazdy elektryczne – zmniejszenie zanieczyszczenia pochodzącego ze spalin w miastach. Coraz bardziej popularne stają się pojazdy elektryczne zasilane akumulatorami lub ogniwami wodorowymi. W przyszłości tego typu technologia mogłaby całkowicie wyprzeć samochody z silnikami spalinowymi. W miastach zmniejszyłoby się zanieczyszczenie środowiska pochodzące ze szkodliwych spalin. Przykładowo produktem ubocznym spalania wodoru w samochodach na ogniwa paliwowe jest czysta woda. Rozwijany się także recykling akumulatorów, co zmniejsza ich szkodliwość dla środowiska.
Elektrownie szczytowo-pompowe
Większość, bo aż 99% magazynów energii na świecie to elektrownie szczytowo-pompowe. Pierwsze technologie tego typu powstały w 1890 roku w Austrii i we Włoszech. Zasada działania polega na wykorzystaniu różnicy wysokości terenu. W czasie nadmiaru energii elektrycznej w sieci, kiedy energia jest tania (w nocy), woda z dolnego zbiornika przepompowywana jest do górnego, a w szczycie zapotrzebowania (w dzień) woda wypuszczana jest z górnego zbiornika. Woda podczas spadku porusza turbinę podłączoną do generatora, który produkuje prąd i oddaje go do sieci. Zatem energia elektryczna magazynowana jest w postaci energii potencjalnej wody. Efektywność i pojemność magazynowania zależą od różnicy wysokości zbiorników (powinna wynosić powyżej 100m) i od objętości górnego zbiornika. Jako górny zbiornik wykorzystuje się zwykle naturalne lub sztuczne jeziora, jako zbiornik dolny spiętrzone wody w dolinach rzek, sztolnie kopalniane, a także naturalne i sztuczne jeziora.
Rys.3 Schemat elektrowni szczytowo-pompowej
Elektrownie szczytowo-pompowe służą regulowaniu szybkich zmian w sieci – dzięki nim możliwa jest praca elektrowni konwencjonalnych na względnie stałym, najbardziej efektywnym poziomie. W związku z parowaniem i przeciekaniem wody konieczne jest uwzględnienie dopływu naturalnego źródła wody do jednego ze zbiorników. Efektywność magazynowania energii jest na poziomie 70-87% ze względu na straty w turbozespole i ubytek wody .
W Polsce istnieje obecnie kilka elektrowni szczytowo-pompowych. Największa z nich to elektrownia Żarnowiec nad Jeziorem Żarnowieckim. Jest w stanie dostarczyć moc 716 MW w czasie 5,5 godzin. Uruchomiona została w 1983 roku, miała być magazynem dla planowanej elektrowni jądrowej w Żarnowcu. Pojemność górnego zbiornika (sztuczne jezioro) to 13,6 mln m3, powierzchnia 122 ha, a uzupełnienie wody następuje po ok. 6,5 godzinach. Dolny zbiornik stanowi Jezioro Żarnowieckie. W związku z tym, że w górnym zbiorniku dobowe wahania poziomu wody wynoszą 16 m, nie jest możliwe wykorzystanie go w celu turystyczno-rekreacyjnym. Największe elektrownie szczytowo-pompowe na świecie znajdują się w Ameryce Południowej i zapewniają moc rzędu GW, są to Elektrownia Guri (Wenezuela) – 10,3GW i Elektrownia Ttapi (Brazylia) -12,6GW.
Magazynowanie sprężonego powietrza – CAES
Technologia magazynowania sprężonego powietrza działa na podobnych zasadach jak elektrownie szczytowo-pompowe. Zamiast wody używa się skompresowanego powietrza, które pompowane i przechowywane jest pod ziemią, najczęściej w kawernach geologicznych np. wyeksploatowanych kopalniach soli. W okresie większego zapotrzebowania na energię, sprężone powietrze kieruje się do turbin. Spalany jest gaz ziemny, który ogrzewa powietrze, następnie rozprężające się spaliny napędzają generator i wytwarzana jest energia elektryczna. Magazynowanie energii w ten sposób znajduje zastosowanie i jest opłacalne szczególnie w przypadku dużej skali i dużych pojemności magazynów. Obecnie na świecie działają 4 instalacje CAES.
Rys.4 Schemat magazynu na sprężone powietrze
Technologia magazynowania sprężonego powietrza wykorzystuje zarówno energię elektryczną konieczną do sprężania, jak i paliwo (np. gaz ziemny). Dodatkowo podczas sprężania wytwarzane są znaczne ilości ciepła (do ok. 1000oC), zachodzi więc też konieczność schładzania powietrza. Z tego względu ocena wydajności układu jest bardziej skomplikowana niż w przypadku innych metod magazynowania energii.
Istotną kwestią przy budowie magazynu jest znalezienie odpowiedniego zbiornika na sprężone powietrze. Mimo bardzo dokładnych pomiarów parametrów naturalnego zbiornika, mogą się one zmieniać w zależności od zmiany ciśnienia i temperatury. Najlepszymi miejscami przechowywania sprężonego powietrza są kawerny w kopalniach soli, gdyż sól nie reaguje łatwo z tlenem, a komora jest szczelna. Innymi miejscami mogą być naturalne twory w piaskowcu, wapieniu lub wyeksploatowane kopalnie. Gdy warunki geologiczne nie są sprzyjające, sprężone powietrze można przechowywać w zbiorniku stalowym, co jednak bardzo ogranicza pojemność magazynu.
Ogniwa paliwowe
Ogniwa paliwowe wykorzystują przemiany chemiczne, w wyniku których możliwe jest uzyskanie energii elektrycznej. Konieczne jest stałe doprowadzanie paliwa, więc energia nie jest magazynowana w ogniwie, a w przechowywanym paliwie.
Tabela 1. Wybrane ogniwa paliwowe i ich parametry
Ogniwa wodorowe są najczęściej produkowanymi ogniwami na świecie, ponieważ jako jedyne mogą pracować w niskich temperaturach (poniżej 100oC). Dostarczany do anody wodór ulega reakcji utleniania w wyniku czego powstają kationy wodoru i elektrony. Elektrony przepływają przewodem w kierunku katody, do której dostarczany jest tlen z powietrza. Następnie łączą się z tlenem i powstają aniony tlenkowe. Wcześniej wytworzone kationy wodoru przemieszczają się poprzez elektrolit w kierunku anionów tlenkowych, na wyjściu tworząc parę wodną, która jest jedynym produktem tej reakcji. Istotą działania jest umieszczenie pomiędzy elektrodami takiej substancji, która umożliwia ruch tylko i wyłącznie kationom wodoru.
Rys. 5 Schemat ogniwa wodorowego
Magazynowanie energii nie zachodzi bezpośrednio w ogniwach wodorowych, jest ona przechowywana w postaci wodoru. Problemem z jakimi należy się zmierzyć jest stworzenie najbardziej efektywnej metody jego produkcji i magazynowania. Koszt produkcji energii z 1kg wodoru pierwotnie pochodzącej z elektrowni wiatrowych lub fotowoltaicznych jest porównywalny z kosztem zakupu benzyny, a w przypadku zakupu energii w nocy z systemu elektroenergetycznego jest aż 5 razy tańszy.
Wybrane metody produkcji wodoru
Reforming metanu przeprowadza się w ceramicznych rurkach, rolę katalizatora pełni nikiel. Sprawność procesu dochodzi do 90%.
Mokry reforming metanu:
CH4 + H2O = CO + 3H2 (1)
CO + H2O = CO2 + H2 (2)
Suchy reforming metanu:
CH4 + CO2 =2CO +2H2 (3)
Inną metodą jest elektroliza wody, która charakteryzuje się krótkim czasem rozruchu urządzenia i łatwością jego obsługi, a także najwyższą czystością produkowanego wodoru – powyżej 99,9%.
Elektroliza wody:
2H2O = 2H2 + O2 (ogólna reakcja) (4)
4OH- = O2 + 2H2O +4e- (anoda) (5)
4H2O + 4e- = 2H2 + 4OH- (katoda) (6)
Metody biologiczne polegają na wytwarzaniu wodoru w procesie fotosyntezy przez mikroorganizmy. Przykładowo glon Chlamydomonas reinhardtii, na skutek działania enzymu hydrogenaza, zaczyna wytwarzać wodór w ilości 4 ml na godzinę z litra kultury alg.
Istotną wadą magazynowania energii w postaci wodoru jest niska efektywność jego wytwarzania i spalania na poziomie 20-45%. Z powodu wybuchowych właściwości wodoru istnieje wiele problemów z jego przechowywaniem i transportowaniem.
Nadprzewodnikowe zasobniki energii
Nadprzewodnikowe zasobniki energii wykorzystują pole magnetyczne wytworzone przez prąd stały. Składają się z nadprzewodzącej cewki o kształcie solenoidu lub toroidu, kondycjometru mocy i układu chłodzenia. Energia pola magnetycznego może być przechowywana w nich dowolnie długo, gdyż straty prądu płynącego w cewkach są pomijalnie małe.
Rys. 6 Schemat nadprzewodnikowego zasobnika energii
Urządzenia muszą być stale utrzymywane w niskich temperaturach bliskich zera bezwzględnego, z tego względu największy udział kosztów stanowi instalacja chłodząca, a także cena nadprzewodników. Materiały nadprzewodzące można podzielić na dwie grupy ze względu na temperaturę, w której wykazują właściwości nadprzewodzące:
– nadprzewodniki niskotemperaturowe,
– nadprzewodniki wysokotemperaturowe,
Pierwsza grupa nadprzewodników osiąga właściwości nadprzewodzące w ciekłym helu, natomiast druga w temperaturze ciekłego azotu (77K). Oczywistym jest, że niższe koszty uzyskuje się w przypadku zasobników wysokotemperaturowych, gdyż ciekły azot jest tańszy oraz technologia jest znana i używana jest w przemyśle od lat.
Ze względów ekonomicznych nieopłacalne jest stosowanie zasobników dla małych wartości mocy. Największą zaletą tego typu magazynów jest bardzo wysoka efektywność – na poziomie 95%, straty energii wynikają jedynie z konwersji prądu stałego na zmienny i odwrotnie. Obecnie, z powodu wysokich kosztów używane są do krótkotrwałego podnoszenia jakości energii elektrycznej, pojemność magazynowania w zastosowaniach komercyjnych to ok. 1kWh, a maksymalna moc 1MW. Biorąc pod uwagę liczbę cykli ładowania i rozładowania, a także żywotność cewki, technologia ta przewyższa wszystkie pozostałe istniejące na rynku. Również czas odpowiedzi jest na najniższym poziomie – kilku milisekund. Niestety nie jest jeszcze znane oddziaływanie tak silnego pola magnetycznego na człowieka, dlatego koniecznym jest obudowywanie zasobników specjalnymi blokami.
Superkondensatory
Superkondensatory, podobnie jak zwykłe kondensatory, działają na zasadzie gromadzenia ładunku elektrycznego na powierzchni dwóch elektrod, z tym, że ich powierzchnie są wielokrotnie większe z powodu skomplikowanej budowy. Dzięki temu możliwe jest zgromadzenie znacznie większej ilości ładunku, niż w przypadku zwykłych kondensatorów, przy niskim napięciu 2-3V.
Rys.7 Różnica między kondensatorem i superkondensatorem
Energia elektryczna zmagazynowana jest jako energia pola elektrycznego pomiędzy dwiema elektrodami. Odpowiednie dobranie materiału elektrod i elektrolitu, w którym są zanurzone, umożliwia magazynowanie znacznych ilości energii. W celu zwiększenia powierzchni, na której gromadzi się ładunek jako elektrody stosuje się węgiel o bardzo dużej porowatości. Energia kondensatora i jego pojemność wyrażają się poniższymi wzorami:
?=??22 (7)
?=?0???? (8)
gdzie:
E – energia kondensatora,
C – pojemność kondensatora,
V – napięcie,
S – powierzchnia jednej okładki kondensatora (elektrody),
d – odległość między okładkami (elektrodami),
ε0 – przenikalność elektryczna próżni,
εr – względna przenikalność elektryczna.
Zgodnie ze wzorem (8), im większa powierzchnia okładek i mniejsza odległość między nimi, tym większa pojemność kondensatora, co za tym idzie większa energia zgromadzona w kondensatorze (7). Głównym zadaniem elektrolitu jest utrzymywanie minimalnej odległości pomiędzy elektrodami, w celu zwiększenia ilości zgromadzonej energii. Superkondensatory łączy się w większe moduły o pojemności 1kWh, które następnie łączone są w większe magazyny o pojemnościach do 100kWh. Ilość cykli ładowania i rozładowania jest prawie nieograniczona, a czas eksploatacji wynosi ok. 20 lat. Gęstość mocy dochodzi do 10kW/kg masy kondensatora. Superkondensatory mogą zgromadzić i oddawać bardzo dużą ilość ładunku w krótkim czasie. W związku ze zmienną wartością napięcia na zaciskach, konieczne jest stosowanie skomplikowanych układów energoelektronicznych. Technologia jest obecnie w fazie wdrożeń komercyjnych.
Superkondensatory znajdują zastosowania w systemach zasilania awaryjnego i motoryzacji (hamowanie rekuperacyjne, wspomaganie kierownicy, zasilanie podczas postoju). Rozwój technologii zmierza w kierunku obniżenia kosztów, w celu umożliwienia konkurowania z technologiami SMES, kinetycznymi zasobnikami energii i akumulatorami.
Akumulatory
Akumulator to odwracalne ogniwo galwaniczne, które zamienia energię elektryczną w energię elektrochemiczną w reakcjach redoks. Składa się z dwóch elektrod oraz z płynu, w którym elektrody są zanurzone. Istnieją wiele rodzajów akumulatorów wykorzystujących różne materiały.
Tabela 2. Parametry wybranych akumulatorów
Wszystkie typy akumulatorów pracują w oparciu o reakcje elektrochemiczne.
Rys.9 Schemat działania akumulatora niklowo-kadmowego
Rys.10 Schemat działania akumulatora litowo-sodowego
Obecnie najczęściej wykorzystywane na świecie są akumulatory sodowo-siarkowe, ołowiowo-kwasowe, litowo-jonowe i niklowo-metalowo-hybrydowe. Dużą wadą akumulatorów jest ich krótki czas życia, uzależniony od ilości cyklów ładowania. Z upływem czasu w elektrolicie wytrącają się nierozpuszczalne kryształy, które zmniejszają możliwości magazynowania energii i prowadzą do uszkodzenia akumulatora. W przypadku akumulatorów ołowiowo-kwasowych konieczne jest regularne uzupełnianie elektrolitu.
Największy magazyn akumulatorów na świecie o mocy 100 MW (129 MWh pojemności) został oddany do użytku w grudniu 2017 r. przy elektrowni wiatrowej Hornsdale w Australii (99 turbin wiatrowych). Zastosowano w nim akumulatory litowo-jonowe firmy Tesla, podobnie jak w innym, dużym magazynie o mocy 20MW (80MWh), który rozpoczął pracę w styczniu 2017 r. w Kalifornii. Ich głównym celem jest wspieranie sieci elektroenergetycznej – dostarczanie dodatkowej mocy w przypadku niedoborów i poprawa jakości prądu. Inne duże magazyny znajdują się w Puerto Rico (14 MWh, kwasowo-ołowiowe ) i na Alasce (6,75 MWh, niklowo-kadmowe).
Kinetyczne zasobniki energii i koła zamachowe
Koła zamachowe to kinetyczne zasobniki energii, które przekształcają energię elektryczną na energię mechaniczną wirującej masy, a następnie wytwarzają energię elektryczną z jej wyhamowania. Ilość magazynowanej energii rośnie wraz z prędkością kątową obrotu i jest uzależniona od wytrzymałości na rozciąganie stosowanego materiału. Im lżejszy materiał, tym możliwości magazynowania są większe. Koła zamachowe mogą przyspieszyć w ciągu kilku minut, osiągając swoją pojemność energetyczną znacznie szybciej niż inne formy magazynowania. Zależność energii od parametrów zasobnika przedstawiają wzory 9-12. Energia bezpośrednio zależy od momentu bezwładności, który z kolei zależy od rozkładu masy w obiekcie. Z tego powodu buduje się koła zamachowe o dużym udziale masy na jego krawędziach, dzięki temu można uzyskać znaczne prędkości kątowe.
Energia kinetyczna bezwładnika:
??=12?ω2 (9)
Moment bezwładności całkowicie wypełnionego koła zamachowego:
?=12??2 (10)
Moment bezwładności wydrążonego koła zamachowego:
?=12?(?2+?2) (11)
Moment bezwładności pierścienia:
?=??2 (12)
gdzie:
ω – prędkość kątowa,
m – masa,
R – promień zewnętrzny,
r – promień wewnętrzny.
Rys.11 Budowa koła zamachowego
W zależności od parametrów generatora i elektroniki, koła zamachowe dostarczają bardzo wysoką moc, aż do 1,6MW/10sekund. Wyróżnia się dwie grupy kół zamachowych: wolnoobrotowe do ok. 10tys. obr/min i szybkoobrotowe ok. 100tys. obr/min. Zasobniki wolnoobrotowe umieszczane są w zbiornikach z helem w celu zredukowania tarcia, a szybkoobrotowe w próżni. Tarcie jest podstawowym czynnikiem wpływającym na straty, a czas życia bezwładnika zależy od użytego łożyska. Dla kół wolnoobrotowych przeznaczone są specjalne łożyska mechaniczne o długoletniej żywotności, a dla kół szybkoobrotowych łożyska magnetyczne. Liczba cykli jest zależna od sprawności układu chłodzenia użytej elektroniki. Odpowiedź na zapotrzebowanie na energię jest bardzo szybka, rzędu milisekund.
Zasobniki kinetyczne pierwszej generacji wykorzystywały stalowe koła zamachowe na łożyskach mechanicznych. Obecnie zaawansowane zasobniki budowane są z włókna węglowego i zawieszone są w łożyskach magnetycznych o obudowie próżniowej, dzięki temu uzyskują sprawność rzędu 97%.
Koła zamachowe stosuje się w motoryzacji w układach odzyskiwania energii hamowania, tzw. hamowaniu rekuperacyjnym. Pozyskana energia elektryczna może być oddawana do trakcji w przypadku pojazdów trakcyjnych lub zasilać akumulator w samochodach osobowych. Wolnoobrotowe koła zamachowe znajdują zastosowania w układach zasilania awaryjnego. W elektrowniach wiatrowych koła zamachowe poprawiają jakość wytwarzanej energii.
Koszt konserwacji i wymiany łożysk (co 5-10lat) koła zamachowego wynosi dwa razy mniej niż koszt systemów UPS. Koszty systemu awaryjnego zasilania wykorzystującego koło zamachowe to ok. 330 USD/kW przy pełnym obciążeniu w ciągu 15 sekund.
NOWOŚCI
Wszystkie technologie magazynowania energii mają duży potencjał rozwoju. Udział odnawialnych źródeł energii ma tendencję wzrostową, zatem koniecznym będzie stworzenie infrastruktury zapewniającej efektywne przechowywanie nadwyżek energii. W związku z ogólnym postępem technologicznym można spodziewać się podwyższenia sprawności magazynowania energii.
Wydajność procesu magazynowania energii w sprężonym powietrzu jest niska, jednak istnieje kilka rozwiązań, dzięki którym można ją zwiększyć. Zarówno ciepło pochodzące z procesu sprężania, jak i ciepło spalin można wykorzystać, umieszczając w instalacji akumulator ciepła. Energia cieplna może być później użyta do podgrzania powietrza wychodzącego ze zbiornika. Technologia wykorzystująca ciepło sprężania do podgrzewania podczas procesu rozprężania nazwana została AA-CAES (ang. advanced-adiabatic compressed air energy storage), instalacja jest wyposażona dodatkowo w magazyn ciepła. Dzięki ponownemu wykorzystaniu energii cieplnej, nie jest konieczne stosowanie gazu ziemnego. Jednym z takich projektów jest ADELE – magazyn, który wykorzystując ciepło odpadowe podnosi sprawność instalacji do 70%.
Powietrze sprężone można także wstępnie podgrzewać stosując nawilżacze powietrza. Innym rozwinięciem technologii CAES jest ICAES (ang. isothermal compressed air energy storage), która opiera się na procesie izotermicznego sprężania, wtryskując do zbiornika wodę, która magazynuje ciepło podczas sprężania powietrza. Stała temperatura istotna jest do zachowania stabilności procesu. W Teksasie w 2012 roku firma General Compression, Inc. oddała do użytku instalację tego typu połączoną z turbinami wiatrowymi o mocy 2MW. Jako komorę przechowywania sprężonego powietrza wykorzystano kawernę solną. Docelowa pojemność energii ma wynosić 500 MWh.
Ciekawym rozwiązaniem jest także turbina wiatrowa wyposażona w osi wiatraka w sprężarkę, która tłoczyłaby pod ziemię sprężone powietrze, które następnie wykorzystywane byłoby do produkcji energii. W ten sposób pominięte zostałyby dwa procesy konwersji energii (energia mechaniczna->energia elektryczna i energia elektryczna->energia potencjalna sprężonego powietrza). Dzięki temu możliwe byłoby zredukowanie do zera nieprzewidywalności produkcji energii z turbiny wiatrowej. W Kawazu, w środkowej Japonii 20 kwietnia 2017 roku rozpoczęły się testy powyższego rozwiązania w elektrowni wiatrowej Tokyo Electric Power Company Higashi-Izu (moc 18,370kW, 11tubin). Instalacja projektowano mając na uwadze unikanie używania rzadkich metali i substancji szkodliwych co sprawia, że system można nazwać ekologicznym. Zastosowane są w nim również akumulatory ciepła, które wspomagają wydajność procesu rozprężania
Rozważana jest także możliwość magazynowania sprężonego powietrze pod wodą – UWCAES (Underwater Compressed Air Energy Storage). Stosowane byłyby w tym celu zbiorniki w postaci balonów mocowanych do dna, które zmieniają swoją objętość w zależności od ilości magazynowanego powietrza, a przesyłanie gazu odbywa się za pomocą rurociągów. Takie zbiorniki zachowują ciśnienie na stałym poziomie (ciśnienie bezpośrednio zależy od głębokości), co jest istotne w przypadku urządzeń sprężających i rozprężających. Dodatkową zaletą jest użycie oleju termalnego jako magazyn ciepła. Przewidywana sprawność to 70%. Pierwszym takim komercyjnym układem jest magazyn na dnie jeziora Ontario (Kanada), wybudowany przez firmę Hydrostor. Składa się z 6 balonów i obciążenia, zajmując powierzchnię ok. 400m2. Projekt jest w fazie testów – obliczona pojemność to 1320kWh energii elektrycznej.
Z technologii CAES wywodzi się LAES – Liquid Air Energy Storage. Zasada działania jest podobna z tym, że powietrze jest sprężane przez kilka sprężarek i w ostatnim etapie zostaje skroplone. Dodatkowo najpierw usuwa się z niego dwutlenek węgla i parę wodną, w celu uniknięcie ich zamarznięcia. Pozostaje głównie azot, który skrapla się w temperaturze -190 stopni Celsjusza. Ciekłe powietrze zajmuje znacznie mniejszą objętość, co wpływa na zwiększenie gęstości energii i możliwości lokalizacji instalacji.
Technologia LAES przez 4 lata była intensywnie testowana przez firmę Highview Power Storage, a w 2010 roku wybudowano pierwszą instalację testową przy elektrowni w Wielkiej Brytanii, o mocy 350kW i rok później udowodniono zdolność systemu do magazynowania skroplonego powietrza. Demonstracyjna instalacja o mocy 5MW (również w Wielkiej Brytanii) jest obecnie w fazie ukończenia, jej celem jest wykazanie efektywności krótkoterminowego magazynowania.
Kolejną wielką inwestycją jest magazyn GigaPlant o mocy 200MW/4,32 TWs. Technologia LAES może w przyszłości konkurować z elektrowniami szczytowo-pompowymi, jak i z CAES, ze względu na wysoki potencjał osiągania dużych mocy znamionowych.
Największą wadą magazynowania energii w ciekłym powietrzu są straty spowodowane nieszczelnością zbiornika – poszczególne składniki powietrza odparowują ze średnią szybkością 0,1-02% na dobę.
Coraz większym zainteresowaniem cieszą się elektrownie szczytowo-pompowe zlokalizowane w starych kopalniach. W związku z zamykaniem kopalń oraz polityką nastawioną na źródła odnawialne głównym kierunkiem będzie rozwój tego typu technologii. Magazyny nie zajmują dużej powierzchni nad ziemią oraz umożliwiają wykorzystanie potencjału nieczynnych kopalni, które posiadają już instalację odwadniającą. Znaczna głębokość kopalni (800-1000m) sprzyja osiąganiu wysokiej mocy w hydrozespole. Moc dla spadu 1000m i przepływie 1 m3/s wynosiłaby ok. 7MW, przy czym zbiornik dolny musiałby mieć pojemność co najmniej 29 000 m3. Im większa głębokość, tym mniejsze zużycie wody, co jest korzystne zarówno z ekonomicznego, jak i ekologicznego punktu widzenia.
Jedna z największych elektrowni podziemnych w Europie o mocy 1096MW znajduje się w Luksemburgu, w Vianden, wybudowana przez koncern RWE Power AG oraz Societe Electrique de J’Our. Dolny zbiornik stanowi wyeksploatowana kopalnia węgla kamiennego. Wykorzystanie nieczynnych kopalń jako magazynów energii testowane jest także w Niemczech. W górach Harz budowa elektrowni szczytowo-pompowych jest na etapie opracowywania studium wykonalności, energia do przechowywania ma pochodzić z pobliskich elektrowni wiatrowych i farm fotowoltaicznych. Także w Polsce rozważana jest budowa takiego magazynu w likwidowanej kopalni Krupiński JSW.
Interesującymi rozwiązaniami są także systemy sprzężenia elektrowni szczytowo-pompowych bezpośrednio z turbinami wiatrowymi. W Niemczech, w 2017 roku utworzono farmę składającą się z czterech największych na świecie turbin wiatrowych (246,5m wysokości wraz ze śmigłami), o mocy 3,4 MW. Wiatraki obudowane są 40 metrowymi zbiornikami na wodę o pojemności 40tys. m3 i połączone są z jeziorem oddalonym o 5km, położonym 200m poniżej. W momencie, gdy występuje nadprodukcja prądu woda pompowana jest do wyżej położonego zbiornika. Magazyny są w stanie przechowywać 70 MWh energii elektrycznej zachowując sprawność na poziomie 80%.
W związku z problemami w magazynowaniu wodoru, konstruowane są odmiany ogniw paliwowych , w których wykorzystuje się wodór w postaci związanej np. w metanie lub metanolu, jest on produkowany dopiero w ogniwie podczas spalania. Dzięki temu znacznie zmniejsza się objętość paliwa, co sprawia, że transport jest znacznie ułatwiony.
Wadą stosowania wodoru jako magazynu energii jest niewielka efektywność całkowita procesu wytwarzania i spalania wodoru, rzędu 20-45%. Dodatkowo istnieje szereg problemów z bezpiecznym przechowywaniem wodoru i jego transportowaniem.
Naukowcy z Argonne National Laboratory (USA) stworzyli działający prototyp urządzenia produkującego wodór z wykorzystaniem mikroorganizmów. Użyte zostały halobakterie, które uwalniają protony w wyniku reakcji ze światłem oraz grafen, z którego wybijane elektrony łączą się z protonami tworząc wodór.
Z powodu problemów z przechowywaniem wodoru, zaczęto zastanawiać się nad alternatywnymi metodami. Jedną z nich są zbiorniki rewersyjne, w których wodór łączy się bezpośrednio z metalami, z których zbiornik jest wykonany – z niklem lub metalami szlachetnymi. W celu odzyskania wodoru, zbiorniki wystarczy podgrzać. W 2010 roku naukowcy z Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research (Indie) opublikowali badania, które dowodzą możliwości przechowywania wodoru na poziomie ok. 5% masy układu z użyciem grafenu. Naukowcy z Politechniki Łódzkiej także wykorzystują powyższą metodę i są w trakcie projektu zbiornika o potencjalnych możliwościach ok. 14%.
Innym kierunkiem działań jest ulepszanie zbiorników już istniejących. Wodór przechowuje się w postaci gazowej w temperaturze 298 K i w ciśnieniu 150-800 Bar. Najnowocześniejsze zbiorniki mają wbudowane specjalne przepony, które zwiększają możliwości przechowywania wodoru pod ciśnieniem 700 Bar, w ilości 12% masy zbiornika.
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN prowadzą badania nad zastosowaniem kwasu mrówkowego w ogniwach paliwowych. Opracowali ogniwo łączące dwie cechy: wysoką gęstość mocy (50mW/mg Pd) i wysoką gęstość energii. Reakcje w zaprojektowanym ogniwie zachodzą w temperaturze pokojowej, sprawność i moc są znacznie wyższe w porównaniu do ogniwa metanolowego. Dodatkowo kwas mrówkowy jest tani w produkcji oraz łatwy do przechowywania i transportu. Naukowcy obecnie pracują nad usprawnieniem katalizatora wykorzystując nanorurki węglowe, które byłyby nośnikiem cząstek metalu. Gdyby kwas mrówkowy produkowany był z biomasy, skonstruowane ogniwo byłoby w pełni ekologiczne. Jedynymi produktami reakcji w ogniwie są dwutlenek węgla i woda.
Obecnie projekty dotyczące zastosowań przemysłowych SMES skupiają się na: układach μSMES o energii rzędu MJ, wchodzących w fazę komercjalizacji, układach o energii rzędu GJ, w fazie konstrukcyjnej i projektowej oraz zasobnikach wysokotemperaturowych o energii rzędu kJ, w fazie badań. Rozwój technologii zmierza w kierunku obniżenia kosztów poprzez testowanie nowych wysokotemperaturowych materiałów nadprzewodzących i elektroniki pracującej z wysoką sprawnością w niskich temperaturach.
W dziedzinie akumulatorów obecnie największego potencjału rozwoju upatruje się w bateriach przepływowych BP (Flow Battery – FB), z powodu o wiele większej żywotności niż pozostałe akumulatory. Energię elektryczną uzyskuje się na skutek przepływu jonów metali, a katodę i anodę zastąpiono dwoma roztworami soli metali w osobnych obiegach rozdzielonych membraną. Używane są pompy, które wymuszają ruch cieczy w zbiorniku, co umożliwia wymianę jonów przez przepuszczalną membranę. Ilość cykli ładowania jest prawie nieograniczona, a akumulatory posiadają stosunkowo wysoką moc na wyjściu. Dzięki możliwości dostosowania wielkości zbiorników do potrzeb, koszty magazynowania ulegają zmniejszeniu. Kosztem stanowiącym aż ⅓ kosztu akumulatora jest polimerowa membrana, która nie ulega rozpadowi w silnie kwaśnym środowisku. Niestety w akumulatorach wykorzystywany jest drogi i trujący pierwiastek wanad.
Naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) stworzyli akumulator przepływowy wykorzystujący specjalnie przygotowane molekuły, które są rozpuszczalne w wodzie. Dzięki temu możliwe jest zastosowanie o wiele tańszych membran, a uszkodzenie akumulatora nie spowoduje wycieku kwasu do otoczenia. Profesor Roy Gordon szacuje, że na 1000 cykli ładowania/rozładowania akumulator traci tylko 1% pojemności .
Testowane jest także wykorzystanie molekuł organicznych – chinonów, występujących w ropie naftowej i roślinach. Naukowcy z Harwardu stworzyli akumulator wykorzystujący chinon AQDS, zbliżony do występującego w rabarbarze. Udało się uzyskać ogniwo o znacznej gęstości energii – 6kW/m2, o wiele większej niż w przepływowym akumulatorze wanadowym – 0,4kW/m2. Koszty ogniwa są w przybliżeniu o 200zł/kWh tańsze niż ogniwa wanadowego. Jednak dużą wadą jest wykorzystanie szkodliwego bromu, co czyni akumulator znacznie mniej przyjaznym dla środowiska.
Jednym z magazynów wykorzystujących akumulatory przepływowe jest Prudent Energy w Oxnard w Kalifornii, moc instalacji wynosi 600kW (pojemność 3600kWh). Także w Niemczech działa akumulator wanadowy Renox (Vanadium Redox Flow – VRF), który współpracuje z systemem ogniw fotowoltaicznych. Jego moc wynosi 200 kW, a pojemność 400 kWh. Podstawowym problemem technologicznym jest niewielka trwałość akumulatorów, które wymagają okresowej wymiany elektrolitu.
Obecnie na rynku przewagę zdobywają akumulatory litowo-jonowe, ze względu na relatywnie małą masę. Stosowane są w samochodach elektrycznych, a także jako magazyny energii dla sieci elektroenergetycznej. Znaczącą ich wadą jest krótki czas życia i mała ilość cykli ładowania, a także niewielka pojemność. Start-up Amprius założony przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda prowadzi badania nad wzbogaceniem anody grafitowej krzemem, który jest bardzo porowaty i mógłby znacznie zwiększyć pojemność akumulatora. Do związania jednego jonu litu potrzeba sześciu atomów węgla, a jeden atom krzemu wystarcza do związania czterech jonów litu. Dzięki użyciu porowatego krzemu gęstość energii wzrasta o połowę, w przypadku krzemowych nanorurek aż dwukrotnie. Krzem mógłby wejść w reakcję z elektrolitem, dlatego musi zostać umieszczony w otoczce grafitowej.
Podobne właściwości przyłączania litu ma siarka, która również znacznie zwiększa pojemność akumulatora (2 krotnie). W prototypie naukowców z Instytutu Fraunhofera również zastosowano otoczki grafitowe w celu uniknięcia reakcji z elektrolitem. Ogniwo wytrzymuje aż 2000 cykli ładowania. Natomiast naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wykorzystali grafen, ich prototypy wytrzymują 1500 cykli ładowania i rozładowania przy pięciokrotnie większej gęstości energii niż akumulatory litowo-jonowe.
Rozwój technologii idzie w kierunku zmniejszania kosztów i podnoszenia efektywności produkcji energii poprzez poszukiwanie nowych materiałów konstrukcyjnych i zmniejszeniu strat tarcia. Najnowsze koła zamachowe wykorzystują lewitujący bezwładnik używając bezobsługowych łożysk magnetycznych, co eliminuje konieczność konserwacji i zmniejsza awaryjność technologii. Rozwijane są także systemy zabezpieczające na wypadek awarii. W wyniku przekroczenia progu wytrzymałości materiału następuje tzw. “eksplozja koła zamachowego”, dlatego często te wysokoobrotowe montuje się w gruncie lub umieszcza w specjalnym żelowatym płynie.
PORÓWNANIE
Technologie magazynowania energii elektrycznej można klasyfikować ze względu na rodzaj wykorzystywanych zjawisk: elektrochemicznych (akumulatory, ogniwa paliwowe), mechanicznych (sprężone powietrze, skroplone powietrze, zasobniki kinetyczne, elektrownie szczytowo-pompowe), elektromagnetycznych (superkondensatory) i magnetycznych (układy nadprzewodzące SMES). Na świecie największy udział w magazynowaniu energii mają elektrownie szczytowo-pompowe – 99%.
Ze względu na zastosowanie magazyny energii dzielą się na stacjonarne, przenośne i wykorzystywane w pojazdach hybrydowych i elektrycznych. Biorąc pod uwagę przeznaczenie zasobników energii można podzielić je na: bilansujące moc, poprawiające jakość energii elektrycznej i równoważące ilość energii w sieci.
Rys. 12 Wykres zależności mocy od czasu rozładowania, w zależności od sposobu wykorzystania magazynu energii elektrycznej.
SMES – nadprzewodnikowy zasobnik energii, CAES – magazynowanie z wykorzystaniem sprężonego powietrza, ASS – akumulatory siarczkowo-sodowe
Do krótkotrwałych dostaw mocy najlepiej sprawdzają się koła zamachowe, a w przypadku dużych ilości magazynowania energii i dłuższego czasu jej przechowywania najbardziej efektywne są elektrownie szczytowo-pompowe.
Rys.13 Wykres mocy znamionowych wybranych magazynów energii, w zależności od czasu
samorozładowania i ich sprawności
Porównując koszty technologii magazynowania energii należy mieć na uwadze zastosowanie zasobnika. Dla przenośnych urządzeń preferowane są magazyny o niewielkiej masie, dla stacjonarnych masa nie ma znaczenia. Biorąc pod uwagę przechowywanie energii na dużą skalę najbardziej opłacalne są elektrownie szczytowo-pompowe i magazynowanie w sprężonym powietrzu. Charakteryzują się wysoką sprawnością i niskim poziomem strat w czasie. W samochodach elektrycznych znaczącą przewagę mają akumulatory litowo-jonowe ze względu na najniższy ciężar z dostępnych technologii , jednak są one dosyć drogie w porównaniu z innymi akumulatorami i mają bardzo krótki czas życia.
Najniższy koszt eksploatacji posiadają baterie przepływowe. Najdroższymi technologiami są układy SMES, kinetyczne zasobniki energii i superkondensatory ze względu na bardzo drogie materiały, z których są zbudowane. Są one jednak w stanie zgromadzić bardzo dużą ilość energii na jednostkę powierzchni, co jest wykorzystywane w układach UPS. Koszt ogniw wodorowych zależy od metody produkcji wodoru. Porównując 5 wybranych metod magazynowania energii, można stwierdzić, że najtańszą obecnie technologią jest stosowanie reformingu parowego metanu na dużą skalę.
Tabela 3. Parametry wybranych technologii magazynowania energii, rok 2013
Rys.14 Wykres nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacyjnych wybranych magazynów energii,
ASS – akumulatory siarczkowo sodowe, CAES – magazynowanie z wykorzystaniem sprężonego powietrza
Opłacalność magazynowania energii elektrycznej zależy od kosztu krańcowego jej wytwarzania w elektrowniach. Jeśli jest większy od kosztu przechowywania, odzyskiwania oraz strat energii, magazynowanie uznaje się za opłacalne. Zmiany kosztu krańcowego zależą od źródeł wytwarzania energii – elektrownie węglowe mają stosunkowo niższy koszt krańcowy od pozostałych źródeł, gdyż korzystają z taniego paliwa. W celu zminimalizowania kosztów, elektrownie węglowe i jądrowe pracują w trybie ciągłym, a elektrownie gazowe załącza się głównie w szczycie zapotrzebowania na energię. Ilość energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych waha się w ciągu roku, a także doby, wpływa to znacząco na zwiększenie fluktuacji cen energii na rynku.
Przykładowo: skupując energię do magazynu w szczycie produkcji energii w ciągu dnia za cenę 80zł/MWh i sprzedając w szczycie zapotrzebowania na energię za cenę 800zł/MWh, potencjalny zysk wynosi 720zł/MWh. Jeśli magazyn energii ma sprawność 70%, będzie on opłacalny w przypadku, gdy koszty użytkowania będą mniejsze niż 504zł/MWh.
Tabela 4. Porównanie kosztów wybranych akumulatorów.
Tabela 5. Najważniejsze wady i zalety wybranych magazynów energii
PODSUMOWANIE
Magazynowanie energii jest istotną kwestią w czasach, gdy zasoby paliw kopalnych są coraz mniejsze, zapotrzebowanie na energię elektryczną stale wzrasta, a udział energii ze źródeł odnawialnych powoduje wahania w jej dostawach. Wszystko to sprawia, że koniecznym jest podnoszenie efektywności znanych metod magazynowania energii oraz ciągłe poszukiwanie nowych technologii.
Obecnie na dużą skalę wykorzystywane są elektrownie szczytowo-pompowe i podziemne magazyny sprężonego powietrza (CAES), które charakteryzują się wysoką sprawnością i pojemnością energii, lecz ich lokalizacja ściśle zależy od warunków geologicznych. Testowane są możliwości wykorzystania nieczynnych kopalń jako elektrowni szczytowo-pompowych, gdyż zapewniają one znaczną różnicę wysokości terenu, co jest istotne w tej technologii. Powstają także duże magazyny akumulatorów litowo-jonowych, których czas odpowiedzi jest bardzo szybki, jednak mają krótką żywotność i wysoki koszt. W przypadku krótkotrwałego i wysokiego zapotrzebowania na moc najlepiej sprawdzają się koła zamachowe. W motoryzacji największe znaczenie mają lekkie zasobniki jak akumulatory. Duży potencjał rozwoju posiadają baterie przepływowe, które charakteryzują się niskim kosztem i możliwością regulacji pojemności. Ciągle rozwijane są technologie produkcji i magazynowania wodoru, od czego bezpośrednio będzie zależeć w przyszłości koszt ogniw paliwowych.
Wraz ze wzrostem świadomości społeczeństwa i rozszerzaniem polityki zrównoważonego rozwoju na wszystkie dziedziny życia, potrzeba magazynowania energii będzie rosnąć. Wszystkie zaprezentowane technologie mają duży potencjał rozwoju, który dąży do poprawy efektywności i obniżenia kosztów magazynowania energii.
