Magazyny energii elektrycznej umożliwiają przechowywanie prądu kiedy produkcja jest większa niż zużycie. Główną przyczyną rozwoju rynku magazynów energii jest potrzeba stabilizacji sieci, dla której coraz większym wyzwaniem jest zwiększenie udziału w energetyce odnawialnych źródeł energii.
Systemy magazynowania energii dzielą się na: mechaniczne, elektryczne oraz elektrochemiczne.
Systemy mechanicznego magazynowania energii
Mechaniczne systemy magazynowania energii są wykorzystywane w:
- elektrowniach szczytowo-pompowych (energia potencjalna wody)
- magazynach sprężonego powietrza (energia kinetyczna gazu)
- kołach zamachowych (energia kinetyczna obracających się mas).
Elektrownia szczytowo-pompowa
Najczęściej stosowanymi obiektami magazynowania energii są elektrownie szczytowo-pompowe (PHES). Są to elektrownie wodne, składające się zazwyczaj z dwóch zbiorników wodnych, które znajdują się na różnych wysokościach n.p.m. Działa ona na bardzo prostej zasadzie, wykorzystując dwa zbiorniki wody położone na różnych poziomach. Kiedy woda jest spuszczana z górnego zbiornika do dolnego, energia potencjalna wody zamienia się na energię kinetyczną napędzając turbinę i generator, który przekształca ją w energię elektryczną. W okresach małego zapotrzebowania energii elektrycznej i niższej ceny, woda jest pompowana z powrotem do zbiornika górnego.
Pompowanie może odbywać się wykorzystując do tego celu energię wyprodukowaną przez odnawialne źródła energii. W ten sposób elektrownie szczytowo-pompowe mogą osiągać sprawności od 75% do 85%.
Ze względu na dużą pojemność energetyczną i elastyczne sterowanie – technologia magazynowania w elektrowniach szczytowo-pompowych jest najbardziej rozpowszechnioną technologią magazynowania energii.
Zalety:
- elektrownia szczytowo-pompowa może zostać uruchomiona w przypadku braku zasilania z sieci elektroenergetycznej,
- dopasowanie generacji do aktualnego zapotrzebowania na rynku energii,
- łatwa regulacja poziomu generowanej energii poprzez zmianę ilości przepływającej wody przez turbiny.
Wady:
- wysokie koszty inwestycji,
- określone warunki geograficzne,
- interwencja w krajobrazie naturalnym.
Czytaj: Technologie magazynowania energii elektrycznej
Zbiorniki sprężonego powietrza
Działają poprzez zamknięcie sprężonego powietrza pod wysokim ciśnieniem w odpowiednich pojemnikach lub szczelnych przestrzeniach. Gęstość energii wynosi od jednej do dwóch kWh/m3. Zbiorniki sprężonego powietrza mają różne formy, takie jak: zbiorniki sprężonego powietrza, balony podwodne, kawerny w kopalniach soli. Gdy potrzebna jest energia elektryczna, sprężone powietrze uwalniane jest przez turbiny. Energia mechaniczna jest przekształcana w energię elektryczną i wprowadzana do sieci elektroenergetycznej.
Koła zamachowe
Nadmiar energii elektrycznej może być magazynowany za pomocą kół zamachowych jako energia kinetyczna masy wirującej. Koła zamachowe są sprzężone z generatorem i mogą osiągać prędkości obrotowe rzędu 100 000 obr/min. Energia elektryczna jest generowana z wyhamowania energii kinetycznej masy. Dużą zaletą kół zamachowych jest krótki czas odpowiedzi, wynoszący kilka milisekund.
Systemy elektrycznego magazynowania energii
Elektryczne urządzenia magazynujące obejmują:
- Nadprzewodnikowe zasobniki energii
- Superkondensatory
W pierwszym typie magazynowania energii – prąd stały z prostownika przepływa przez cewkę wykonaną z materiału nadprzewodzącego, która jest schłodzona kriogenicznie do temperatury poniżej swojej temperatury krytycznej. Przepływ prądu generuje pole magnetyczne, w którym energia jest magazynowana.
Superkondensator, różni się od zwykłego kondensatora tym, że ma bardzo wysoką pojemność (tysiące razy więcej niż kondensator elektrolityczny). Energia magazynowana jest za pomocą ładunku statycznego w polu elektrycznym. Superkondensator może być poddawany częstym cyklom ładowania i rozładowywania nawet przy wysokiej wartości prądu i krótkich okresach czasu.
Systemy elektrochemicznego magazynowania energii
Są to akumulatory do ponownego ładowania:
- klasyczne magazynowanie baterii,
- Redox, hybrydowy magazyn akumulatorów przepływowych.
Zdecentralizowane magazyny bateryjne
Bateryjne systemy magazynowania są obecnie stosowane w mniejszych systemach zasilania, np. w domach jednorodzinnych.
Zobacz też: Magazynowanie energii elektrycznej – chemiczne zasobniki energii
Scentralizowane magazyny bateryjne
Scentralizowane magazynowanie odbywa się poprzez połączenie dużej ilości baterii w duże zasobniki energii. Energia elektryczna może być pobierana z sieci niskonapięciowej i przesyłana ponownie w zależności od potrzeb.
Złożone centralne magazyny energii reprezentowane są często jako wirtualne elektrownie. Są to wzajemnie połączone systemy magazynowania energii, które są tworzone niezależnie od siebie na poziomie regionalnym, ale nadal można je traktować jako jedną elektrownię.
Systemy chemicznego magazynowanie energii
Magazyny energii chemicznej różnią się rodzajem konwersji:
- Power to Gas
- Power to Liquid
- Power to Chemicals
- Power to Heat
- Power to X
Power-to-X
Są to międzysektorowe koncepcje magazynowania energii, które mogą łączyć różne sektory energetyczne, takie jak energia elektryczna z gazem lub gorącą wodą. Dzięki takim systemom magazynowania, można dokonać przepływu wstecznego i ponownego zasilania. Procedury takie jak Power-to-X mogą odgrywać znaczącą rolę w integracji systemu energii odnawialnej. Zatem nadwyżka energii elektrycznej z PV, wiatru lub wody może być przechowywana i wykorzystywana do innych celów, np. Power to Gas, Power to Liquid lub Power to Heat, gdzie nadmiar energii można przekształcić w energię cieplną za pomocą pomp ciepła lub prętów grzewczych.
Power-to-Gas
W tym procesie gaz paliwowy jest wytwarzany za pomocą elektrolizy i metanizacji z jednoczesnym wykorzystaniem energii elektrycznej. Zbiorniki gazu mogą być wykorzystywane do przechowywania niezbędnej energii lub podłączone bezpośrednio do sieci gazowniczej.
Zalety:
- Łatwa produkcja z osadów, szlamu, gnojownicy , śmieci i innych odpadów,
- Łatwy do transportu przez istniejące gazociągi i inną infrastrukturę,
- Długi okres przechowywania (od kilku miesięcy do kilku lat),
- Wysoka wydajność – do 10 kWh/Nm3,
- Duża moc – do 200 MW.
Wady:
- Silny udział w efekcie cieplarnianym,
- Niska wydajność (24-42%),
- Wysokie koszty biometanu.
Czytaj też: Magazynowanie energii elektrycznej – mechaniczne zasobniki energii
Power-to-Heat
To zamiana energii elektrycznej na ciepło. W tej koncepcji energia jest wykorzystywana do ogrzewania wody. Ogrzana woda może być przechowywana w izolowanych pojemnikach. Koncepcja jest odpowiednia dla domów jedno- i wielorodzinnych.
Power-to-Liquid
W tym procesie nadmiar energii wytwarzanej przez elektrolizę wody wytwarza wodór. Proces ten stosuje się do produkcji metanolu, kwasu mrówkowego.
Zalety:
- Łatwy transport dzięki formie gazowej i płynnej,
- Łatwość przechowywania,
- Brak wkładu w efekt cieplarniany przy zastosowaniu energetycznym,
- Możliwa produkcja neutralna klimatycznie i przyjazna dla środowiska naturalnego,
- Uniwersalne zastosowanie (magazynowanie energii, paliwo, itp.)
Wady:
- Niska efektywność (35-40%),
- Wykorzystywane głównie jako urządzenie do magazynowania energii w energetyce wiatrowej – im więcej budowanych farm wiatrowych, tym brak wiatru staje się mniej zauważalny, magazynowanie pośrednie z wykorzystaniem wodoru może wówczas stać się zbędne,
- Podaż i popyt na energię elektryczną rzadko znajdują się w równowadze.
Przykłady zastosowania
We wrześniu 2018 r. powstał pierwszy projekt chińskiej grupy technologicznej BYD Co. ltd. Uruchomiono magazyn energii elektrochemicznej o mocy 1 MW, który współpracuje z elektrownią słoneczną. Dzięki temu rozwiązaniu, sieć energetyczna może być optymalnie zrównoważona.
Polecamy: Systemy magazynowania energii elektrycznej i cieplnej
