Rosnąca z każdym rokiem ilość energii pozyskanej z OZE jest efektem coraz doskonalszych technologii pozyskiwania energii oraz rosnącej świadomości w kwestii ochrony środowiska. Również dla przedsiębiorców energia ze źródeł odnawialnych jest prostą receptą na oszczędność i stanowi ważny filar zrównoważonej polityki energetycznej. Według szacunków w 2050 r. nawet połowa pozyskanej na świecie energii będzie pochodzić ze źródeł odnawialnych, czyli słońca, wiatru, wody, geotermii czy biomasy. 

Jedną z największych wad OZE, która nieco ogranicza jeszcze szybszy ich rozwój, jest nieprzewidywalność tej metody produkcji energii. Instalacje fotowoltaiczne mają mniejszą skuteczność zimą niż latem, nie mówiąc już o nocy, jednak nawet w letnie dni mogą się zdarzyć dni o dużym zachmurzeniu. Równie trudno jest dokładnie prognozować ilość energii wytworzonej przez np. farmy wiatrowe. Wynikające z tej zmienności wahania pozyskanej energii sięgają nawet 30-40%. Dlatego tak istotna jest rola magazynowania energii i jej dostarczania do sieci w stosownym momencie. Magazyny energii mają łagodzić obciążenia sieci elektroenergetycznej i gromadzić nadwyżkę energii w szczytowych momentach, gdy jej produkcja przekracza popyt na nią. Natomiast gdy warunki pogodowe się pogarszają i bieżąca produkcja energii jest niewystarczająca do zaspokojenia konsumpcji, uwalniane są wówczas zasoby energii zgromadzone w magazynach. Dla dużych zakładów produkcyjnych i fabryk, których działalność opiera się na dostępie do energii elektrycznej, taki system magazynowania energii oznacza możliwość optymalizacji zużycia energii, a tym samym spore oszczędności finansowe. To także większa stabilność oraz bezpieczeństwo energetyczne.

Duże potrzeby polskiego rynku

Według danych Polskiej Izby Magazynowania Energii obecnie w Polsce istniejące magazyny energii mają zainstalowanych łącznie ok. 1450 MW mocy, z czego 1370 MW w elektrowniach szczytowo-pompowych, a 20 MW w magazynach energii w technologii elektrochemicznej. To jednak wciąż zdecydowanie za mało. Polska musi bowiem spełnić unijne regulacje i zapewnić 15-proc. udział OZE w miksie energetycznym kraju, a jednocześnie sprawić, by 2% łącznej mocy w polskiej energetyce było zainstalowane w magazynach energii. A to oznacza, że docelowo łącznie we wszystkich technologiach magazynowania energii powinno być to ok. 5 GW mocy.

Spływająca woda lub sprężone powietrze

Na rynku funkcjonują różne typy magazynów energii wykorzystujące różną technologię jej przechowywania. Co równie ważne, obszar ten jest przedmiotem ciągłych prac rozwojowych i z całą pewnością w najbliższych latach możemy się spodziewać bądź zwiększenia wydajności obecnych rozwiązań, bądź pojawienia się nowych technologii, które zastąpią lub uzupełnią już istniejące. 

Spośród dostępnych metod gromadzenia energii z odnawialnych źródeł na dużą skalę największy udział mają obecnie elektrownie szczytowo-pompowe. Rozwiązanie to wykorzystuje dwa zbiorniki wodne – górny i dolny. Gdy w systemie znajduje się nadwyżka energii (np. w nocy), wówczas woda jest przepompowywana z niższego zbiornika do wyższego. W momencie szczytowego zapotrzebowania na energię woda spływa do dolnego zbiornika przez turbinę, która napędza generator wytwarzający energię. Technologia szczytowo-pompowa umożliwia magazywanie dużych ilości energii w długim czasie, a jej sprawność szacowana na jest 70-85%, co jest bardzo dobrym wynikiem na tle pozostałych metod magazynowania energii. Wadą takich elektrowni jest konieczność wykorzystania dwóch zbiorników wody położonych na różnej wysokości, co utrudnia znalezienie odpowiedniej lokalizacji (testowane są rozwiązania, w których dolny zbiornik znajduje się np. w nieczynnej kopalni). Ponadto wysoki jest koszt uruchomienia takiej inwestycji.

Alternatywą dla powyższej metody jest magazynowanie energii wykorzystujące systemy sprężonego powietrza (CAES – Compressed Air Energy Storage). W tej technologii nadwyżka energii elektrycznej, dostępna w okresie pozaszczytowym (np. w nocy), używana jest do sprężania powietrza i tłoczenia go np. do podziemnych zbiorników pod ciśnieniem rzędu co najmniej 70 atmosfer. Zbiornikami tymi mogą być np. opuszczone kopalnie, kawerny solne lub specjalnie do tego celu przystosowane zbiorniki wytworzone w sposób sztuczny. W momencie wzrostu zapotrzebowania na energię powietrze jest uwalniane ze zbiornika i używane do wygenerowania energii za pośrednictwem turbiny. Technologia ta pozwala także na magazynowanie dużych ilości energii, jednak ma nieco niższą sprawność, dochodzącą do 70%.

Chemiczne i elektrochemiczne metody

Kolejne dwie metody, które są wciąż rozwijane i mają spory potencjał, wykorzystują zachodzące reakcje chemiczne. Magazynowanie energii w postaci chemicznej wykorzystuje proces elektrolizy, w czasie którego zgromadzona energia jest przetwarzana np. w wodór bądź metan, które następnie mogą być wykorzystane jako paliwo w pojazdach samochodowych bądź też ponownie zamienione w energię elektryczną w odpowiednim czasie. Chemiczne metody mają umożliwiać wielkoskalowe przechowywanie energii w sposób długoterminowy.

Według wielu naukowców największy potencjał magazynowania energii tkwi w metodzie elektrochemicznej, czyli popularnych bateriach. Najpopularniejsze w samochodach elektrycznych akumulatory litowo-jonowe mają wprawdzie spore ograniczenia, ale przykłady np. Tesli pokazują, że magazyny bateryjne o dużej wydajności są jak najbardziej możliwe. Jeden z największych tego typu magazynów, wybudowanych w Australii, ma pojemność 129 MWh i jest w stanie oddać 100 MW mocy.. Kolejne o nieco tylko mniejszej pojemności powstają w Stanach Zjednoczonych oraz na europejskim kontynencie. Zaletą magazynowania energii w akumulatorach jest ich najmniejszy koszt – nie wymagają skomplikowanej infrastruktury. Do tego zapewniają nawet 85-proc. odzysk zgromadzonej energii. Jako największą ich wadę wymienia się ograniczoną żywotność i zmniejszającą się z czasem pojemność baterii. W zastosowaniach komercyjnych można znaleźć już nie tylko baterie litowo-jonowe, ale również m.in. sodowo-siarkowe, litowo-polimerowe czy kwasowo-ołowiowe, zaś wiele baterii z innym elektrolitem znajduje się w fazie badań i testów.

Nowatorskie metody magazynowania energii

Bardzo trudno dziś jednoznacznie stwierdzić, w jakim kierunku podąży technologia magazynowania energii w nieco dalszej przyszłości. Trudność ta wynika m.in. z tego powodu, że co jakiś czas dobiegają do nas informacje o nowych odkryciach lub pomysłach różnych grup naukowców w tym obszarze. Firma Gravitricity z Edynburga opracowała np. nowatorską metodę, w której do gromadzenia i odzyskiwania energii wykorzystywana jest grawitacja. W specjalnych szybach ciężary o masie od 500 do 5000 ton są wciągane, gdy mamy nadwyżkę energii, a gdy pojawia się zapotrzebowanie na energię, są opuszczane i w czasie spadku następuje odzysk energii. Według twórców tej technologii jej sprawność sięga nawet 80-90%, a pojedyncza instalacja może wytwarzać moc szczytową od 1 do 20 MW. Prawo grawitacji do systemów magazynowania energii testują również austriacki oraz szwajcarski start-up. Austriacy wykorzystują w swojej metodzie różnicę poziomów górskich wzniesień, zaś Szwajcarzy nadwyżkę energii z turbin wietrznych wykorzystują do układania cegieł, a gdy spadają one na ziemię – następuje odzysk energii.

Wśród nowatorskich metod magazynowania energii nie brak również polskich pomysłów. Zespół naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego opracował kompozytowy akumulator kwasowy o nazwie KLAB. Jego przewagą w stosunku do baterii litowo-jonowych jest znacznie szerszy zakres temperatur, w których może on bez przeszkód pracować. Technologia ta będzie mogła być użyta zarówno w niewielkich akumulatorach (np. o pojemności 50 Ah), jak i większych magazynach energii (o pojemności 14 kWh).

Niewykluczone, że w przyszłości nie będziemy w ogóle potrzebowali magazynów energii, gdyż ich rolę przejmą domy czy też budynki przemysłowe. Austriacki Instytut Technologiczny (AIT) testuje projekt o nazwie „PowerPack Immobilie“. W tym rozwiązaniu energia elektryczna będzie wytwarzana przy zastosowaniu zaawansowanej instalacji fotowoltaicznej i jej nadwyżka będzie mogła zostać odprowadzona do sieci energetycznej bądź będzie przechowywana w samym budynku.

Źródło zdjęcia: Nissan