Magazynowanie energii na farmach PV – charakterystyka i rola w systemie energetycznym

Magazynowanie energii na farmach PV – rola technologii

Nieregularny charakter energii słonecznej pozostaje wyzwaniem, ponieważ jej produkcja podlega dziennym i sezonowym zmianom, a także warunkom pogodowym, co prowadzi do wahań, które wpływają na stabilność sieci. Aby złagodzić te problemy, niezbędne jest magazynowanie energii, a dokładnie integracja rozwiązań tego typu z farmami fotowoltaicznymi.

Jedną z podstawowych funkcji magazynowania energii w farmach fotowoltaicznych jest stabilizacja sieci poprzez równoważenie podaży i popytu na energię. Systemy magazynowania energii przyczyniają się również do regulacji częstotliwości oraz napięcia, pomagając operatorom sieci w utrzymaniu stabilności systemu i unikaniu zakłóceń. Magazynowanie energii w miejscu jej wytwarzania zwiększa samowystarczalność, umożliwiając farmom fotowoltaicznym przechowywanie nadmiaru energii do bezpośredniego wykorzystania.

Magazynowanie energii poprawia rentowność finansową farm fotowoltaicznych – gdy zapotrzebowanie jest niskie, obniża koszty, zamiast dostarczania jej do sieci w niekorzystnych warunkach rynkowych. Umożliwia również optymalizację czasu użytkowania, pozwalając na sprzedaż energii po wyższych cenach rynkowych. Ponadto, farmy fotowoltaiczne z magazynami mogą uczestniczyć w rynkach usług pomocniczych i mocy, zapewniając wsparcie sieci oraz uzyskując dodatkowy dochód.

Magazynowanie energii odgrywa ważną rolę w ułatwianiu większej penetracji PV bez przeciążania sieci elektroenergetycznych. Poprzez obniżanie ograniczeń przesyłowych, pozwala farmom fotowoltaicznym na bardziej płynną integrację z systemem energetycznym, zmniejszając zależność od wytwarzania rezerwowego opartego na paliwach kopalnych. Ponadto, dzięki magazynowaniu, cała wytworzona energia słoneczna jest efektywnie wykorzystywana, a nie marnowana z powodu ograniczeń sieci lub nadprodukcji.

Magazynowanie energii na farmach fotowoltaicznych – rodzaje rozwiązań

Do magazynowania i zarządzania nieciągłą energią wytwarzaną przez instalacje fotowoltaiczne stosowane są różne technologie, z których najpopularniejsze to m.in.:

• akumulatorowe systemy magazynowania energii, obejmujące m.in. akumulatory litowo-jonowe – są najczęściej stosowane ze względu na wysoką sprawność (90–95%) i długą żywotność przekraczającą 10 lat. Ich koszty znacznie spadły, a instalacje na skalę użytkową osiągają obecnie średni koszt około 350 USD/kWh. Jednak, ze względu na potencjalne ryzyko przegrzewania, wymagają one zaawansowanych systemów zarządzania bezpieczeństwem;
  • akumulatory sodowo-jonowe – stanowią obiecującą alternatywę, oferując lepszy profil bezpieczeństwa w porównaniu do rozwiązań litowo-jonowych. Choć technologia ta jest jeszcze na etapie komercjalizacji, jej potencjał obiecuje niższe koszty i bardziej zrównoważony rozwój w porównaniu do odpowiedników litowo-jonowych;
  • akumulatory kwasowo-ołowiowe – mają ograniczone zastosowanie w nowoczesnych farmach fotowoltaicznych ze względu na niższą sprawność (70–80%) i krótszą żywotność. Innowacje, takie jak UltraBattery, łączące technologię kwasowo-ołowiową z ultrakondensatorami, mają na celu poprawę ich efektywności oraz trwałości;
• mechaniczne systemy magazynowania energii, np. z wykorzystaniem kół zamachowych – charakteryzują się wysoką sprawnością i bardzo szybkim czasem reakcji, co czyni je odpowiednimi do zastosowań wymagających natychmiastowego oddania energii. Jednak ich ograniczona pojemność sprawia, że sprawdzają się głównie do krótkoterminowego bilansowania energii. Elektrownie szczytowo-pompowe wykorzystują wodę do przechowywania energii poprzez pompowanie jej do wyżej położonych zbiorników i uwalnianie w momencie zapotrzebowania. Jest to jedno z najbardziej efektywnych kosztowo rozwiązań dla długoterminowego magazynowania, jednak jego zastosowanie wymaga odpowiednich warunków geograficznych, np. terenów górskich czy obszarów pokopalnianych. Ponadto, ze względu na bardzo wysokie koszty takiej inwestycji, budowa elektrowni szczytowo-pompowej zwykle jest skorelowana z większym projektem przestrzennym, np. zabudowań przeciwpowodziowych;
• systemy magazynowania energii termicznej – pozwalają na magazynowanie energii cieplnej przy użyciu materiałów, takich jak stopione sole lub materiały zmiennofazowe, które pochłaniają i uwalniają ciepło podczas przemian fazowych. Zaletą takich systemów jest możliwość wykorzystania energii cieplnej do zastosowań przemysłowych lub ogrzewania. W połączeniu z instalacjami fotowoltaicznymi, mogą one skutecznie zwiększać efektywność wykorzystania energii słonecznej.
• technologie Power-to-X – pozwalają na przekształcanie nadwyżek energii słonecznej w paliwa syntetyczne lub amoniak, które mogą być przechowywane i wykorzystywane jako nośniki energii lub surowce przemysłowe. Takie rozwiązania znacznie zwiększają wszechstronność technologii magazynowania energii. Przykładowo, nadwyżka energii słonecznej może być wykorzystywana do produkcji wodoru w procesie elektrolizy. Jest to tzw. długoterminowe magazynowanie energii, umożliwiające jej późniejsze wykorzystanie w produkcji energii elektrycznej lub procesach przemysłowych.

Przepisy regulujące magazynowanie energii na farmach fotowoltaicznych

Polska rozwija swoje ramy regulacyjne służące wspieraniu integracji magazynów energii z farmami fotowoltaicznymi. Niedawne zmiany wyeliminowały bariery, takie jak podwójne naliczanie opłat przesyłowych. Oczekuje się, że dalsze reformy, w tym rynku bilansującego, stworzą nowe źródła przychodów dla projektów magazynowania.

Magazynowanie energii elektrycznej w Polsce, zwłaszcza w kontekście wielkoskalowych instalacji współpracujących z farmami fotowoltaicznymi, jest regulowane głównie przez ustawę Prawo energetyczne. Zgodnie z obowiązującymi przepisami, działalność polegająca na magazynowaniu energii elektrycznej o łącznej mocy zainstalowanej przekraczającej 10 MW wymaga uzyskania koncesji od Prezesa URE. W przypadku rozwiązań o mocy większej niż 50 kW, ale nieprzekraczającej 10 MW, konieczny jest wpis do rejestru magazynów energii elektrycznej. Obowiązek prowadzenia rejestru spoczywa na operatorach systemów elektroenergetycznych i obejmuje magazyny przyłączone do ich sieci. Rejestr ten jest jawny i dostępny na stronach internetowych operatorów.

Operatorzy systemów elektroenergetycznych nie mogą budować, posiadać ani obsługiwać magazynów energii, chyba że uzyskają zgodę Prezesa URE na uznanie takiego systemu za w pełni zintegrowany element sieci. Od momentu wprowadzenia tych przepisów do maja 2024 r., sześciu operatorów systemów dystrybucyjnych złożyło wnioski dotyczące łącznie 41 magazynów energii o wydanie takiej zgody. Prezes URE wydał pięć decyzji pozytywnych i jedną odmowną w tej sprawie.

Wsparcie finansowe dla projektów realizujących magazynowanie energii

Aby promować integrację systemów realizujących magazynowanie energii do krajowego systemu elektroenergetycznego, wprowadzane są różnorakie mechanizmy wsparcia finansowego. Ma to znaczenie w kontekście integracji odnawialnych źródeł energii w taki sposób, aby nie zaburzały one pracy krajowych sieci elektroenergetycznych. W 2024 roku. Komisja Europejska zatwierdziła pakiet pomocowy o wartości 1,2 mld EUR w celu wsparcia rozwoju magazynów energii elektrycznej w Polsce. Ma on na celu wybudowanie co najmniej 5,4 GWh zdolności magazynowania. Program przewiduje wsparcie w formie dotacji bezpośrednich oraz pożyczek, które mogą pokryć do 45% kosztów inwestycji. W przypadku małych i średnich przedsiębiorstw poziom wsparcia może wzrosnąć odpowiednio do 65% i 55%.

Fundusz Modernizacyjny UE oraz Krajowy Plan Odbudowy i Zwiększania Odporności przeznaczyły znaczne budżety na wsparcie wielkoskalowych systemów magazynowania energii elektrycznej. Polska zaproponowała projekty rozporządzeń w ramach tych programów, z łącznym budżetem w wysokości około 4,2 mld EUR na pomoc przedsiębiorstwom inwestującym w magazynowanie energii w technologii litowo-jonowej i infrastrukturę sieciową.

Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej uruchomił program „Magazyny energii elektrycznej i związana z nimi infrastruktura dla poprawy stabilności polskiej sieci elektroenergetycznej” skierowany do przedsiębiorców. Celem jest wsparcie budowy magazynów energii o mocy co najmniej 2 MW i pojemności nie mniejszej niż 4 MWh. Budżet programu wynosi 4 mld PLN, z czego 3,6 mld przeznaczone jest na dotacje, a 400 mln na pożyczki. Dofinansowanie w formie dotacji może pokryć do 45% kosztów kwalifikowanych dla dużych przedsiębiorstw, z możliwością zwiększenia tego poziomu dla średnich i małych firm.

Oprócz programów dotacyjnych, inwestorzy mogą korzystać z mechanizmów rynkowych, takich jak rynek mocy, który oferuje dodatkowe przychody dla jednostek zdolnych do dostarczania mocy w okresach szczytowego zapotrzebowania. Systemy realizujące magazynowanie energii mogą uczestniczyć w tym rynku, oferując swoje usługi bilansujące, wspierając w ten sposób system elektroenergetyczny w godzinach szczytowych. Obecnie polski rynek mocy, z 17-letnimi kontraktami, stanowi podstawowy model przychodowy dla takich rozwiązań.

Trendy i innowacje w magazynowaniu energii

Rynek magazynowania energii na farmach PV szybko ewoluuje, napędzany rozwojem technologicznym i innowacjami. Baterie półprzewodnikowe wykorzystują elektrolity stałe zamiast ciekłych, oferując wyższą gęstość energii, lepsze profile bezpieczeństwa i dłuższą żywotność. Baterie półprzewodnikowe – choć wciąż w fazie rozwoju – są obiecujące dla zastosowań związanych z magazynowaniem energii na dużą skalę. Baterie sodowo-jonowe, wykorzystując obfite zasoby sodu, stanowią opłacalną i zrównoważoną alternatywę dla baterii litowo-jonowych. Niedawne osiągnięcia poprawiły ich wydajność, czyniąc je realną opcją dla przyszłych potrzeb w zakresie magazynowania energii.

Integracja sztucznej inteligencji z zarządzaniem energią podnosi z kolei optymalizację magazynowania na nowy poziom, pozwalając na znaczącą poprawę analityki predykcyjnej. Algorytmy sztucznej inteligencji analizują dane historyczne i dane w czasie rzeczywistym, w celu prognozowania zapotrzebowania na energię i wzorców jej wytwarzania, umożliwiając proaktywne zarządzanie systemami. Ponadto, AI ułatwia dostosowanie magazynowania i dystrybucji energii w czasie rzeczywistym, zwiększając wydajność oraz obniżając koszty operacyjne.

Ciekawy potencjał ma również magazynowanie energii cieplnej. Nadmiar energii fotowoltaicznej może być wykorzystywany do zasilania pomp ciepła lub magazynowany w systemach termicznych, zapewniając w ten sposób rozwiązania w zakresie ogrzewania lub chłodzenia i zwiększając ogólną efektywność energetyczną budynków.

W nowoczesnych architekturach sieci na znaczeniu zyskują zdecentralizowane (współdzielone) systemy magazynowania energii, np. w ramach społeczności energetycznych, które pozwalają wielu użytkownikom korzystać ze wspólnej rezerwy energii, optymalizując wykorzystanie zasobów i wspierając niezależność energetyczną na poziomie lokalnej społeczności. Szczególne zastosowanie znajdują magazyny w przypadku, kiedy taki model jest oparty na mikrosieci. Lokalne sieci ze zintegrowanym magazynowaniem mogą działać niezależnie lub w połączeniu z główną siecią, co podnosi jakość energii elektrycznej zwłaszcza w odległych lub niedostatecznie obsługiwanych obszarach.

Wnioski

Integracja systemów magazynowania energii jest niezbędna do stabilizacji systemów energetycznych opartych na ogniwach fotowoltaicznych, zapewniając spójne i niezawodne zasilanie pomimo nieciągłości wytwarzania energii słonecznej. Dla wykonawców i projektantów wybór odpowiednich rozwiązań w tym zakresie wymaga starannego rozważenia czynników, takich jak wydajność systemu, pojemność, żywotność, funkcje bezpieczeństwa czy koszt. Odpowiednia ocena tych parametrów gwarantuje, że wybrane rozwiązanie będzie zgodne ze specyficznymi wymaganiami instalacji fotowoltaicznej i przyczyni się do wzrostu ogólnej niezawodności.

Literatura:
1. „Battery Energy Storage: A Vital Component of the Energy Transition”, EUROBAT, 2022.
2. P. Pettersson, „Techno-economic assessment of energy storage solutions for solar power plants. KTH Royal Institute of Technology”, 2024.
3. Raport „Magazyny energii w Polsce – regulacje, wyzwania i perspektywy”, Urząd Regulacji Energetyki, 2024.
4. „EU Commission approves support for energy storage projects in Poland”, European Commission, 2024.
5. „New subsidy schemes for Battery Energy Storage Systems (BESS)”, Dentons, 2025.
6. „Magazynowanie energii elektrycznej – klucz do efektywnego zarządzania energią”, ECDF, 2024.