Magazynowanie energii stanowi krytyczny aspekt polityki energetycznej w dobie wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Pozwala na skuteczną kompensację zawahań podaży i popytu na energię elektryczną, magazynowanie sezonowe, przeniesienie szczytu, kompensację ograniczeń sieci dystrybucyjnej, redundancję źródeł zasilania, czy też arbitraż energii, czyli optymalizowanie cen zakupu.
Znane metody magazynowania energii elektrycznej to m.in. elektrownie szczytowo-pompowe, magazyny sprężonego lub skroplonego powietrza (CAES i LAES), magazyny chemiczne (baterie cynkowe, litowo-jonowe, kwasowo-ołowiowe, przepływowe), magazyny grawitacyjne, bezwładnościowe, magazyny energii w polu elektrycznym (superkondensatory), czy też instalacje typu Power-To-Gas i Power-2-Power.
Możliwe wykorzystanie instalacji magazynowania energii elektrycznej
Arbitraż energii
Poprzez arbitraż energii należy rozumieć zakup energii elektrycznej w korzystniejszej cenie oraz jej sprzedaż/wykorzystanie podczas występowania wyższej ceny energii. Zabieg ten pozwala nie tylko na wprowadzenie oszczędności z perspektywy właściciela magazynu energii, lecz jest także korzystny dla operatora systemu elektroenergetycznego. Przy funkcjonowaniu atrakcyjnego systemu rozliczeń (np. taryfa dynamiczna) możliwe jest przeniesienie nadwyżkowej, odnawialnej energii elektrycznej z godzin o podaży przewyższającej popyt, na okres o największym zapotrzebowaniu. Dzięki temu możliwe jest zoptymalizowanie pracy sieci i uniknięcie wygaszania pracy jednostek pozostających w ruchu. W arbitrażu energii z powodzeniem można wykorzystywać elektrownie szczytowo-pompowe, magazyny sprężonego i ciekłego tlenu, magazyny chemiczne oraz technologie wodorowe Power-2-Hydrogen i Power-2-Power. Przeniesienie szczytu produkcji energii i arbitraż można rozpatrywać w perspektywie dobowej (taryfa dwustrefowa, rynek godzinowy, 15-minutowy) oraz w perspektywie sezonowej. Arbitraż pozwala również uzupełnić pracę sieci elektroenergetycznej na czas uruchamiania jednostek o dużej bezwładności, jak elektrownie cieplne.
Regulacja częstotliwości
Regulacja częstotliwości, polega na zapewnieniu stabilności pracy systemu. Podczas niespodziewanego wzrostu obciążenia sieci, częstotliwość energii elektrycznej w sieci spada. Podczas niespodziewanego spadku zapotrzebowania, częstotliwość sieci niespodziewanie rośnie. Zmiana częstotliwości sieci może powodować zakłócenia i zniszczenie urządzeń elektroenergetycznych i maszyn, takich jak transformatory, silniki elektryczne, przetworniki itd. Aby zapewnić znamionowe parametry energii przewiduje się trzy stopnie regulacji częstotliwości sieci.
Regulacja pierwotna w ułamkach sekund od wykrycia zmiany częstotliwości, ma zadanie stabilizować popyt i podaż energii elektrycznej. Dzięki dużej gęstości mocy, a więc błyskawicznej reakcji, wpisują się w to układy bezwładnościowe, magazyny chemiczne, ogniwa paliwowe, cewki nadprzewodzące i superkondensatory. W ostateczności, aby ustabilizować sieć odłącza się część odbiorców lub część mocy wytwórczych.
Regulacja wtórna zapewnia wyrównanie stosunku popytu i podaży w dłuższej perspektywie, czyli gdy zawahanie częstotliwości sieci zostanie opanowane i należy zadysponować w systemie dodatkowe moce, mogące w średniej i długiej perspektywie uzupełniać deficyt mocy w systemie. W tym celu można zadysponować wszystkie techniki magazynowania energii, nie tylko te, które mają możliwość natychmiastowej odpowiedzi. Zalicza się tu dodatkowo elektrownie szczytowo-pompowe oraz magazyny sprężonego i skroplonego powietrza.
Regulacja trzeciorzędna to zapewnienie stabilności systemu przy długotrwałym zawahaniu popytu i podaży energii (np. podczas awarii sieci i/lub elektrowni odpowiadającej za stosunkowo dużą moc w systemie). Z uwagi na konieczność dostaw energii do KSE przez długi okres czasu, mówimy o magazynach, mogących zabezpieczyć dostawy przez stosunkowo długi czas, np. wielu godzin i dni, pod znamionowym obciążeniem. Warunków tych nie spełniają układy superkondensatorów i cewek nadprzewodzących, które cechuje duża gęstość mocy (błyskawiczna reakcja na zapotrzebowanie systemu w regulacji pierwotnej) lecz niewielka gęstość energii (brak możliwości długotrwałej pracy pod stałym, wysokim obciążeniem).
Zapewnienie ciągłości zasilania
Magazyny energii mogą stanowić również gwarant ciągłości zasilania w obliczu utraty zasilania zewnętrznego. Magazyny energii dla budynków komercyjnych, obiektów przemysłowych lub gospodarstw domowych, takie jak magazyny chemiczne (Li-Ion, VRFB, kwasowo-ołowiowe) oraz ogniwa paliwowe (Powet-2-Power), pozwalają na reakcję przy nagłym zaniku napięcia i zabezpieczenie pracy instalacji elektrycznych w krótkim i średnim okresie czasu. Dodatkowo, przy odpowiednim wysterowaniu mogą prowadzić do przeniesienia szczytu zużycia z taryfy droższej na rzecz niższych cen energii.
Arbitraż ciepła
Odnawialne źródła energii rzutują nie tylko na specyfikę pracy sieci elektroenergetycznej, ale również na pracę instalacji ciepłowniczych. Nadwyżkowa energia elektryczna w wyjątkowo atrakcyjnych cenach, czasem bliskich zeru (nie uwzględniając opłaty dystrybucyjnej) może być konsumowana i magazynowana w postaci użytkowej energii cieplnej przez operatorów sieci ciepłowniczych. Wśród metod magazynowania energii elektrycznej w postaci energii cieplnej wymienić można TES – zbiornikowe magazyny energii cieplnej, podziemne magazyny energii cieplnej (akumulatory gruntowe, akumulatory w warstwie wodonośnej, akumulator kawernowy/skalny oraz PCM (Phase Changing Materials). Nie bez znaczenia pozostaje rola elektrolitycznego wodoru w ciepłownictwie, gdzie może pełnić rolę pośrednią, pomiędzy odnawialną energią elektryczna a cieplną i uzupełniać pracę konwencjonalnych jednostek wytwarzania ciepła.
Magazyny zbiornikowe lub podziemne mogą być zasilane energią cieplną pozyskaną z odnawialnej energii elektrycznej i służyć bilansowaniu pracy odbiorców energii cieplnej, np. miejskich sieci ciepłowniczych. Wysokoobjętościowe (nawet setki tysięcy m3) zbiorniki gorącej wody lub innego nośnika ciepła są nagrzewane podczas występowania nadwyżek energii z OZE, by kolejno zasilać sieci ciepłownicze zieloną energią cieplną przez okres godzin lub dni. Nośnikiem ciepła może być ciecz lub materiał stały (np. żwir). Kotły elektrodowe, zasilane tanią i zieloną energią będą podnosić stopniowo temperaturę w magazynach gorącej wody, która z kolei będzie stopniowo zasilała instalacje sieci miejskiej lub zakładowej stosunkowo tanią i czystą energią użytkową. Zgodnie ze scenariuszem dekarbonizacji, do 2050 roku kotłownie elektrodowe, zasilane energią elektryczną, będą odpowiadać za około 5% produkcji ciepła systemowego.
Zasada działania PCM polega na magazynowaniu energii w postaci izotermicznej przemiany stanu skupienia czynnika roboczego. Zewnętrza, tania i zielona energia elektryczna obniżając ciśnienie w zbiorniku czynnika roboczego doprowadza do jego przejścia w fazę lotną. Przejście fazowe, które odbywa się przy stałej temperaturze, pobiera z otoczenia (dolnego źródła ciepła) energię w ilości proporcjonalnej do iloczynu masy czynnika roboczego i jego ciepła przejścia fazowego. W celu uwolnienia zmagazynowanej energii czynnik roboczy doprowadzany jest do skraplania, podczas którego oddawana jest energia do otoczenia (czynnik samemu zachowuje w przybliżeniu stałą temperaturę). Czynnikiem roboczym może być dowolna substancja, jednak należy zwrócić uwagę by była nietoksyczna oraz swoimi właściwościami fizycznymi (zależność stanu fazowego od temperatury i ciśnienia oraz energia przemiany fazowej) umożliwiała stosunkowo prostą i tanią eksploatację. Wybór nośnika energii pozostaje kluczowy w kwestii dopasowania parametrów pracy magazynu i potencjalnego zastosowania energii.
Magazynowanie energii stanowi fundament nowoczesnych systemów elektroenergetycznych, zwiększając stabilność, elastyczność i efektywność całego sektora. W kontekście dynamicznego wzrostu udziału OZE, rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną oraz potrzeby redukcji emisji gazów cieplarnianych, rozwój technologii magazynowania będzie kluczowy dla przyszłości energetyki.
