Magazyny energii – rozwiązania dla przemysłu
Elemental Strategic MetalsW obliczu rosnącego zapotrzebowania na stabilne i zrównoważone źródła energii przemysł coraz częściej sięga po innowacyjne technologie magazynowania energii. Te rozwiązania nie tylko umożliwiają efektywne zarządzanie zasobami energetycznymi, ale także wspierają przedsiębiorstwa w osiąganiu celów, które wiążą się z redukcją emisji gazów cieplarnianych i zwiększeniem niezawodności dostaw energii.
Przemysłowe magazyny energii pełnią kluczową funkcję w zabezpieczaniu zakładów przemysłowych przed niepewnościami na rynku energii. Pozwalają one gromadzić nadwyżki energii elektrycznej, która jest produkowana z odnawialnych źródeł energii (OZE), i dostarczać ją w momentach zwiększonego zapotrzebowania, awarii sieci lub wprowadzenia ograniczeń w poborze i dostawie energii. Dzięki nim przedsiębiorstwa mogą istotnie obniżyć koszty zakupu energii elektrycznej i zapewnić stabilność parametrów sieci niskiego napięcia.
Magazyny energii umożliwiają gromadzenie energii w różnych postaciach, co pozwala na efektywne zarządzanie nią i wykorzystanie jej w zależności od potrzeb. Technologie magazynowania energii dzielą się na metody bezpośrednie (magazynujące energię elektryczną) i pośrednie (wykorzystujące zmianę formy energii z elektrycznej na inną, np. chemiczną lub potencjalną).
W grupie bezpośrednich metod magazynowania energii elektrycznej dominują akumulatory litowo-jonowe, które cechują się wysoką efektywnością i stosunkowo szybkim czasem reakcji. Natomiast metody pośrednie obejmują różne technologie, takie jak magazynowanie energii w formie potencjalnej (np. systemów pompowych, w których energia jest przechowywana poprzez podnoszenie wody do wyżej położonych zbiorników) i chemicznej (np. wodoru, który może być produkowany z nadwyżek energii i później używany do wytwarzania energii cieplnej, mechanicznej lub elektrycznej).
Inwestycje w magazyny energii stają się coraz bardziej popularne i opłacalne dzięki spadającym cenom akumulatorów i większej dostępności innowacyjnych technologii. Duże znaczenie mają także programy i regulacje prawne, które promują zrównoważone praktyki energetyczne.
Przykładem takich programów jest przyjęty 6 października 2022 r. przez Komisję Europejską (KE) program FenIKS. Jest on skierowany m.in. do przedsiębiorstw, które chcą poprawić efektywność energetyczną poprzez wykorzystanie odnawialnych źródeł energii.
Ponadto we wrześniu 2023 r. KE zaktualizowała plan REPowerEU, który zakłada przyspieszenie przejścia na czystą energię i stopniowe zwiększenie do 42,5% udziału OZE w wytwarzaniu energii, przemyśle, budownictwie i transporcie do 2030 r.
Jakie korzyści zapewniają przemysłowe magazyny energii?
Magazyny energii oferują przedsiębiorstwom liczne korzyści, w tym możliwość stabilizacji parametrów sieci energetycznej poprzez gromadzenie nadwyżek energii. Dzięki temu można uniknąć problemów, które wiążą się z awarią sieci energetycznej lub przerwami w dostawie energii elektrycznej. Ponadto magazyny energii mogą pomóc obniżyć koszty operacyjne poprzez przechowywanie tańszej i ekologicznej energii i jej wykorzystanie wtedy, gdy jest to najbardziej efektywne i potrzebne.
Umożliwia to również obniżenie opłat za energię zużywaną w godzinach szczytu, co jest szczególnie korzystne dla przedsiębiorstw przemysłowych, w których zużycie energii elektrycznej jest znaczące.
Dodatkowo dzięki technologii magazynowania energii można zwiększyć niezawodność dostaw energii i odporność przedsiębiorstwa na zakłócenia energetyczne. W przypadku nagłych przerw w dostawie energii magazyn energii może natychmiast dostarczyć niezbędne napięcie zasilające, minimalizując przestoje i straty produkcyjne.
W dłuższej perspektywie czasu inwestycje w magazyny energii mogą również przyczynić się do redukcji emisji gazów cieplarnianych poprzez lepsze wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. Magazyny energii mogą także wspierać przedsiębiorstwa w optymalizacji zarządzania energią poprzez integrację inteligentnymi systemami zarządzania energią.
Coraz częściej w tych systemach wykorzystywane są sztuczna inteligencja i internet rzeczy, które umożliwiają automatyczne monitorowanie, analizę i optymalizację pracy magazynów energii. W miarę rozwoju technologii i spadku kosztów, które wiążą się z magazynowaniem energii, przedsiębiorstwa mają coraz większe możliwości wykorzystania tych systemów do poprawy swojej efektywności energetycznej, niezawodności dostaw energii elektrycznej i zrównoważonego rozwoju.
Kiedy opłaca się inwestować w magazyny energii?
Decyzja o inwestycji w magazyny energii zależy od wielu czynników, które mogą się różnić w zależności od specyfiki przedsiębiorstwa, jego lokalizacji, rodzaju technologii magazynowania oraz aktualnych warunków rynkowych i regulacji ułatwiających inwestycje. Wprowadzenie magazynów energii może być szczególnie korzystne w określonych, poniżej opisanych sytuacjach.
Wysokie koszty energii w godzinach szczytu
Przedsiębiorstwa, które borykają się z wysokimi kosztami energii w godzinach szczytu, mogą skorzystać na możliwości magazynowania energii z OZE w okresach niskiego zapotrzebowania i wykorzystywania jej w godzinach szczytu energetycznego. Taka strategia jest opłacalniejsza niż przekazywanie wyprodukowanej nadwyżki do zewnętrznej sieci energetycznej.
Praca przez całą dobę
Wiele korzyści z inwestycji w magazyny energii mogą uzyskać przedsiębiorstwa produkcyjne, w których zapotrzebowanie na energię jest duże i dotyczy całej doby. W takich firmach magazyny energii mogą umożliwić wykorzystanie energii odnawialnej w godzinach wieczornych i nocnych, zapewniając ciągłość produkcji i stabilność dostaw energii. Dzięki przechowywaniu energii zgromadzonej w ciągu dnia przedsiębiorstwa mogą efektywnie zarządzać zużyciem energii w pozostałej części doby, co pozwala na obniżenie kosztów operacyjnych.
Niezawodność dostaw energii
W sektorach przemysłowych, gdzie ciągłość procesów produkcyjnych ma kluczowe znaczenie, magazyny energii mogą zapewnić nieprzerwane dostawy energii nawet w przypadku awarii sieci lub częstych przerw w dostawach energii elektrycznej. To znacząco zminimalizuje ryzyko przestojów produkcyjnych i strat, co jest kluczowe w utrzymaniu ciągłości operacyjnej w sektorze przemysłowym.
Większa autonomia energetyczna
Dla przedsiębiorstw, które dążą do zwiększenia swojej autonomii energetycznej, magazyny energii mogą być istotnym elementem strategii zarządzania energią. Pozwalają na maksymalne wykorzystanie wygenerowanej energii, częściowe uzależnienie się od zewnętrznych dostawców energii i lepszą kontrolę nad kosztami operacyjnymi.
Korzyści regulacyjne i finansowe
Warto sprawdzić dostępność dotacji, ulg podatkowych lub innych formy wsparcia finansowego dla firm inwestujących w magazyny energii. Również regulacje prawne, które promują zrównoważone praktyki energetyczne, mogą uczynić takie inwestycje bardziej opłacalnymi.
Poprawa wizerunku ekologicznego marki
Przedsiębiorstwa, które inwestują w takie instalacje OZE, jak panele fotowoltaiczne czy turbiny wiatrowe, mogą znacząco poprawić swój wizerunek ekologiczny. Takie działania pokazują zaangażowanie firmy w zrównoważony rozwój i troskę o środowisko, co jest coraz bardziej cenione przez klientów, partnerów biznesowych i inwestorów. Ponadto korzystanie z zielonej energii może stać się elementem strategii marketingowej, podkreślając ekologiczne podejście firmy.
Rodzaje magazynów energii i zasady ich działania
Obecnie dostępnych jest wiele technologii magazynowania energii. Można je podzielić na różne typy w zależności od technologii, którą wykorzystują do przechowywania i uwalniania energii. Do najważniejszych rodzajów magazynów energii należą ogniwa elektrochemiczne, elektrownie szczytowo-pompowe, magazyny energii z kołem zamachowym, systemy magazynowania energii cieplnej i magazyny energetyczne wykorzystujące technologie chemiczne. Każdy rodzaj magazynu ma unikalną zasadę działania i zastosowanie, dzięki czemu jest odpowiedni do różnych potrzeb przemysłowych.
Magazyny z ogniw elektrochemicznych
Magazyny z ogniw elektrochemicznych, w tym głównie ogniw litowo-jonowych, są najczęściej stosowanymi magazynami energii, które przechowują energię elektryczną w formie chemicznej. Ogniwa litowo-jonowe są znane z wysokiej efektywności, żywotności i szybkiego czasu reakcji.
Są idealne do krótkoterminowego przechowywania energii i jej szybkiego uwalniania w okresach wysokiego zapotrzebowania. Proces ładowania akumulatorów polega na przepływie prądu elektrycznego, który przekształca energię elektryczną w energię chemiczną przechowywaną w ogniwach.
Dodatkowo magazyny litowo-jonowe cechują się dużą gęstością energii, co sprawia, że są kompaktowe i łatwe do zintegrowania w różnorodnych systemach energetycznych. Ponadto technologie litowo-jonowe są stale rozwijane, co prowadzi do dalszej poprawy ich wydajności i obniżenia kosztów produkcji.
Jednym z kluczowych aspektów efektywności magazynów litowo-jonowych jest ich zdolność do szybkiego ładowania i rozładowywania, co czyni je idealnym rozwiązaniem do zarządzania krótkoterminowymi skokami zapotrzebowania na energię. Są one powszechnie stosowane w systemach magazynowania energii odnawialnej, takich jak panele fotowoltaiczne i turbiny wiatrowe – gdzie możliwe jest przechowywanie nadwyżek energii elektrycznej produkowanej w ciągu dnia i uwalnianie jej w godzinach nocnych, w okresach większego zapotrzebowania lub gdy ceny energii dostarczanej przez operatora systemu dystrybucyjnego są wysokie.
Magazyny szczytowo-pompowe
Elektrownie szczytowo-pompowe w ostatnich latach zyskują coraz większą popularność. Wykorzystują one nadwyżki energii elektrycznej lub korzystają z niższych cen energii elektrycznej do przepompowania wody z dolnego źródła do górnego zbiornika. W momencie wysokiego zapotrzebowania lub szczytu energetycznego woda przelewana jest do dolnego źródła, napędzając turbiny wodne sprzężone z generatorami prądu (tzw. hydrogeneratory), które zamieniają energię mechaniczną na energię elektryczną.
Wielkość zbiorników determinuje ilość wody, którą można zgromadzić i której można użyć do wygenerowania energii elektrycznej. Im większy zbiornik, tym więcej energii można w nim przechowywać i wypuszczać z niego w okresach wysokiego zapotrzebowania.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Kluczowym czynnikiem, który wpływa na całkowitą pojemność i efektywność energetyczną elektrowni szczytowo-pompowych, jest różnica wysokości między poziomem dolnego a górnego zbiornika. Ta różnica wysokości określa wartość energii potencjalnej wody przechowywanej w górnym zbiorniku. Im większa różnica wysokości, tym większa energia potencjalna, która może być zamieniona na energię elektryczną przez turbiny wodne.
Elektrownie szczytowo-pompowe odgrywają istotną rolę w systemach energetycznych opartych na OZE. Pozwalają na magazynowanie nadmiaru energii wytworzonej przez wiatr lub w instalacjach fotowoltaicznych w okresach niskiego zapotrzebowania, co wspiera stabilność sieci energetycznej i redukcję emisji gazów cieplarnianych.
Magazyny energii z kołem zamachowym
Systemy magazynowania energii kinetycznej oparte są na maszynie elektrycznej połączonej z kołem zamachowym. Kiedy system magazynuje energię, maszyna elektryczna pracuje jako silnik i przyspiesza koło zamachowe, aż zmagazynuje energię nominalną. Kiedy zachodzi potrzeba wykorzystania energii elektrycznej, proces ten zostaje odwrócony – rozpędzone koło zamachowe przekazuje energię kinetyczną do maszyny elektrycznej, która pracuje jako generator, przekształcając zmagazynowaną energię kinetyczną w energię elektryczną.
W celu obniżenia oporów toczenia i zwiększenia efektywności systemu stosuje się łożyska magnetyczne, które eliminują tarcie mechaniczne. Dodatkowo koło zamachowe jest umieszczane w obudowie, w której wytwarzana jest próżnia. Środowisko to umożliwia kołu osiągać bardzo wysokie prędkości obrotowe, co przekłada się na większą ilość zmagazynowanej energii.
Koła zamachowe mogą dostarczać wysoką moc, co czyni je idealnymi do zastosowań, które wymagają dużej ilości energii w krótkim czasie. Dzięki szybkiej reakcji i zdolności do częstych cyklów ładowania i rozładowywania są one szczególnie przydatne w sytuacjach, w których wymagana jest natychmiastowa dostawa energii.
Tego typu magazyny energii charakteryzują się wysoką sprawnością na poziomie 85–90% i żywotnością ok. 20 lat. Ze względu na szybkie wytrącanie energii (do 15% w ciągu godziny) nadają się jednak głównie do krótkoterminowego magazynowania energii. Są idealne do stabilizacji sieci elektroenergetycznej, zasilania awaryjnego, systemów UPS oraz wspomagania odnawialnych źródeł energii.
Systemy magazynowania energii cieplnej
Systemy magazynowania energii cieplnej odgrywają kluczową rolę w efektywnym zarządzaniu energią, umożliwiając przechowywanie ciepła lub chłodu do późniejszego wykorzystania. Wśród technologii magazynowania energii celnej można wyróżnić materiały zmiennofazowe (phase change material – PCM) oraz stopione sole (direct molten salt – DMS). Te drugie są szczególnie efektywne w przechowywaniu i uwalnianiu dużych ilości energii poprzez wykorzystanie ciepła utajonego podczas przemiany fazowej.
Materiały zmiennofazowe (PCM) magazynują energię poprzez przechodzenie przez przemiany fazowe (np. ciało stałe – ciecz) w określonym zakresie temperatur. Istotne jest, aby ciepło tej transformacji było możliwie jak największe, a przewodnictwo cieplne zastosowanego materiału jak najmniejsze.
Materiały te są w stanie absorbować, akumulować i uwalniać dużą ilość energii, co sprawia, że są idealne tam, gdzie konieczne jest magazynowanie ciepła w sposób kompaktowy i efektywny. Dzięki tym właściwościom materiały zmiennofazowe znajdują zastosowanie w różnych sektorach (budownictwie, przemyśle) oraz w systemach ogrzewania i chłodzenia budynków.
Z kolei stopione sole są często wykorzystywane w dużych elektrowniach słonecznych jako medium do magazynowania ciepła, co pozwala na generowanie energii elektrycznej nawet po zachodzie słońca. W przemyśle stopione sole mają szerokie zastosowanie dzięki swojej zdolności do magazynowania i uwalniania dużych ilości energii cieplnej.
Przykładowo: są one wykorzystywane do magazynowania ciepła odpadowego w procesach przemysłowych. Pozwala to na jego późniejsze wykorzystanie do ogrzewania lub innych procesów technologicznych, zwiększając tym samym efektywność energetyczną zakładów przemysłowych.
Ponadto stopione sole znajdują zastosowanie w systemach magazynowania ciepła w budynkach, zarówno w sektorze komercyjnym, jak i mieszkaniowym. Mogą być stosowane do magazynowania nadmiaru ciepła generowanego przez systemy grzewcze (takie jak kotły czy pompy ciepła), a następnie uwalniania go w okresach, kiedy zapotrzebowanie na ciepło jest większe.
Chemiczne magazyny energii
W kategorii magazynów energii wykorzystujących technologię chemiczną szczególną uwagę przyciągają systemy oparte na wodorze. Te systemy są zdolne do przechowywania znacznej ilości energii w postaci chemicznej poprzez elektrolizę wody i późniejsze odzyskiwanie energii w wyniku takich procesów, jak reakcja utleniania wodoru w ogniwach paliwowych lub jego spalanie w silnikach wodorowych.
Jedynym produktem spalania wodoru w powietrzu lub ogniwie paliwowym jest para wodna. Mimo że jest ona bardzo silnym gazem cieplarnianym, bilans emisji jest uznawany za zerowy przy założeniu, że wodór produkowany jest z rozkładu wody. Wodór jest niezwykle atrakcyjny ze względu na wysokie ciepło spalania i dużą gęstość energetyczną (wielokrotnie większą niż gęstość energetyczna paliw konwencjonalnych).
W przemyśle systemy oparte na wodorze są wykorzystywane przede wszystkim w produkcji energii elektrycznej w ogniwach paliwowych, gdzie wodór jest spalany z tlenem z powietrza, generując energię i ciepło. W ten sposób systemy te mogą być używane jako forma rezerwowa lub bazowa wytwarzania energii, wspierając wewnętrzną sieć energetyczną w przypadku szczytowego zapotrzebowania lub w miejscach, gdzie inne źródła energii są ograniczone.
Ponadto wodór jest wykorzystywany w przemyśle chemicznym do produkcji amoniaku, metanolu i innych związków chemicznych, co również przyczynia się do zrównoważonego rozwoju gospodarczego i energetycznego.
Największe magazyny energii na świecie
Technologie magazynowania energii odgrywają kluczową rolę w transformacji energetycznej poprzez wspieranie integracji odnawialnych źródeł energii z siecią elektroenergetyczną. Firmy na całym świecie coraz bardziej angażują się więc w rozwój ekologicznych rozwiązań magazynowania energii, które obejmują różnorodne technologie i lokalizacje.
Przykładem imponującego systemu magazynowania energii jest magazyn Moss Landing w Kalifornii, który należy do firmy Vistra Energy. Jest on wyposażony w baterie litowe o łącznej pojemności 3 GWh i zdolności rozładowania się z mocą 750 MW. Z kolei na wyspie Ta’u, na Samoa Amerykańskim, istnieje mikrosieć energetyczna oparta na energii słonecznej i akumulatorach litowo-jonowych, która może pokryć prawie 100% zapotrzebowania tej wyspy na energię z OZE.
W kategorii magazynów szczytowo-pompowych największą na świecie instalacją jest elektrownia Fengning w mieście Chengde, w chińskiej prowincji Hebei, o mocy zainstalowanej 3 GW. Do grudnia 2023 r. oddano w niej do eksploatacji 10 bloków elektrowni, a pozostałe dwa mają zostać uruchomione w 2024 roku, zwiększając łączną moc instalacji do 3,6 GW. Porównując, największa elektrownia szczytowo-pompowa w Polsce, w miejscowości Czymanowo nad Jeziorem Żarnowieckim ma 716 MW mocy zainstalowanej.
Podkreślając znaczenie magazynów energii z kołem zamachowym, warto zwrócić uwagę na system Beacon Power w Stephentown, w stanie Nowy Jork, składający się z 200 kół zamachowych o łącznej pojemności 20 MW, które są używane do stabilizacji sieci energetycznej. Natomiast największy na świecie magazyn energii cieplnej powstaje w miejscowości Vantaa w Finlandii. Po zakończeniu inwestycji w 2028 r. pojemność cieplna tego magazynu wyniesie 90 GWh, odpowiadając rocznemu zużyciu energii cieplnej przez średniej wielkości miasto w Finlandii.
Wodór jest relatywnie nową kategorią w globalnych systemach wytwarzania i magazynowania energii elektrycznej. Dynamiczny rozwój technologii produkcji wodoru poprzez elektrolizę wody za pomocą OZE (takich jak energia słoneczna lub wiatrowa) oraz innowacyjne rozwiązania w zakresie jego magazynowania, czynią z wodoru obiecującego kandydata do pełnienia kluczowej funkcji w przyszłym zrównoważonym systemie energetycznym. Obecnie bowiem brakuje globalnie rozpoznawalnego „największego” magazynu energii wodorowej, porównywalnego z innymi technologiami magazynowania energii.
