Magazyny energii w systemie elektroenergetycznym

Czym są magazyny energii?

Magazyny energii wraz z ich definicją pojawiły się w polskim ustawodawstwie w kilku ważnych aktach prawnych. Jednym z nich jest ustawa o rynku mocy. Definiuje ona takie urządzenia jako magazyny energii, o których mowa w art. 2 pkt 17 ustawy z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii, mające zdolność do dostawy mocy elektrycznej do systemu. Ustawa Prawo energetyczne natomiast opisuje magazyny energii jako instalacje służące do przechowywania energii, przyłączone do sieci, mające zdolność do dostawy energii elektrycznej do sieci. Z kolei ustawa o OZE wskazuje na wyodrębnione urządzenie lub zespół urządzeń służących do przechowywania energii w dowolnej postaci (w sposób pozwalający co najmniej na jej częściowe odzyskanie), niepowodujących emisji będących obciążeniem dla środowiska.

Rodzaje dużych magazynów wykorzystywanych w systemie elektroenergetycznym

Magazyny energii dzieli się ze względu na ich wielkość (przydomowe i przemysłowe) oraz zastosowane technologie, wśród których wyróżnia się głównie elektrownie szczytowo-pompowe, baterie elektrochemiczne, superkondensatory, ogniwa paliwowe, nadprzewodnikowe zasobniki energii, kinetyczne i pneumatyczne zasobniki energii, zasobniki skroplonego powietrza, zasobniki wykorzystujące pompy ciepła oraz magazyny wodoru.

Elektrownie szczytowo-pompowe

Najbardziej powszechną formą dużych magazynów są elektrownie szczytowo-pompowe, które są stosowane z powodzeniem już od kilkudziesięciu lat i stanowią 95% światowych zasobów o łącznej mocy 184 GW, z ciągłymi perspektywami oraz potrzebami ich dalszego rozwoju. Magazyny energii szczytowo-pompowe (ESP) to funkcjonująca w Polsce od lat technologia wielkoskalowego magazynowania energii elektrycznej. Dokonuje się w nich zamiana energii elektrycznej w potencjalną energię grawitacyjną wody. Ich użytkowanie polega na wpompowaniu wody ze zbiornika dolnego do górnego w czasie, gdy produkcja prądu jest większa niż zapotrzebowanie (np. w nocy lub gdy wieje silny wiatr), a następnie, gdy pobór energii elektrycznej jest duży (w godzinach szczytu) zachodzi proces odwrotny. Elektrownie szczytowo-pompowe stanowią potężny akumulator (magazyn energii) o ogromnej pojemności i sprawności energetycznej.

Magazyny energii Power-to-X

Coraz częściej spotykanymi technologiami magazynowania energii są metody wykorzystujące potencjał przekształcenia energii elektrycznej w energię wiązań chemicznych. Pożądaną ich cechą jest możliwość ustanowienia międzysektorowych powiązań sektora elektroenergetycznego z sektorem gazowym, paliwowym lub nawet chemicznym. Rozwiązania te nazywane są zbiorczo Power-to-X (P2X) i mają na celu przekształcenie energii elektrycznej wytwarzanej za pomocą OZE w wodór, z możliwością łączenia go z CO₂ w celu syntezy cennych gazów (Power-to-Gas) lub cieczy (Power-to-Liquid), które można następnie wykorzystać jako paliwa lub chemikalia.

Magazyny energii bateryjne BESS

Innym sposobem są technologie wykorzystujące baterie elektrochemiczne, tzw. magazyny energii bateryjne BESS (z ang. Battery Energy Storage System), w których zmagazynowana energia chemiczna może być w razie potrzeby przekształcana w elektryczną. Rozwiązanie to ma najczęściej modułowy charakter (np. kontener), dzięki czemu nie podlega ograniczeniom geograficznym, w porównaniu z innymi sposobami magazynowania energii (przykładowo elektrownie szczytowo-pompowe można stosować w miejscach, gdzie występują zróżnicowane wysokości terenu i duże zbiorniki wodne). Obecnie wśród zainstalowanych magazynów bateryjnych przeważają technologie litowo-jonowe (Li-Ion).

Inne typy baterii wykorzystujących procesy chemiczne to m.in. akumulatory kwasowo-ołowiowe, sodowo-jonowe, sodowo-siarkowe, przepływowe czy ciekłe. Pozostałe sposoby nie odgrywają dziś znaczącej roli w wielkoskalowym magazynowaniu energii ze względu na ograniczenia technologiczne lub poziom rozwoju technologii.

Magazyny energii i ich rola w systemie elektroenergetycznym

Magazyny energii gwarantują większą elastyczność i balans w sieci zasilającej, zapewniając wsparcie dla nieciągłych (niestabilnych w stosunku do zapotrzebowania) źródeł odnawialnych. Ponadto do ich zalet można również zaliczyć:

• przesunięcie konsumpcji w czasie – dzięki magazynom energii prosumenci i wszyscy użytkownicy mogą wykorzystywać zmagazynowaną energię w czasie, kiedy będzie potrzebna,
• poprawę niezawodności zasilania – w miejscach o słabo rozwiniętej infrastrukturze dystrybucyjnej,
• stabilizację parametrów sieci – operatorzy systemów dystrybucyjnych wykorzystując magazyny energii, mogą wygładzić krzywą obciążenia sieci ze względu na generację mocy, która jest największa w godzinach popołudniowych, a zużycie jest w tym czasie najmniejsze,
• ograniczenie mocy zamówionej – w ten sposób zakłady przemysłowe oraz inni odbiorcy energii mogą obniżyć koszty finansowe, zwiększyć swoją funkcjonalność, a także zapewnić sobie bezpieczeństwo i ciągłość zasilania,
• usuwanie problemów z mocą przyłączeniową – operatorzy sieci ładowania pojazdów elektrycznych przy drogach szybkiego ruchu, w centrach miast itp.,
• regulację napięcia – największy obecnie problem, z którym borykają się prosumenci, gdyż napięcie w najbliższej sieci jest zbyt wysokie w momencie, kiedy jest największa generacja,
• redukcje współczynnika mocy (kompensacja mocy biernej),
• możliwość przyłączenia większej liczby OZE bez konieczności inwestycji w infrastrukturę przesyłową,
• optymalizacje struktur zasilających – można zastosować magazyn energii elektrycznej zamiast przebudowywać dany odcinek sieci przesyłowej (bilans opłacalności).

Magazyny energii w transformacji energetycznej

Ambitne cele związane z koniecznością przeprowadzenia transformacji energetycznej zapisane w Europejskim Zielonym Ładzie, a także pakiet Fit-for-55, stanowią duże wyzwanie dla sektora energetycznego, który wciąż w znacznym stopniu bazuje na energetyce konwencjonalnej. Redukcja emisji, a w końcu osiągnięcie neutralności klimatycznej w 2050 roku, wymagają zdecydowanie szybszego niż dotychczas rozwoju energetyki bazującej na odnawialnych źródłach energii. Oprócz wyzwań technicznych i infrastrukturalnych z tym związanych, jednym z głównych problemów, który należy rozwiązać jest niestabilny profil produkcji energii z OZE.

Rozwój energetyki bazującej na OZE możliwy będzie przy zapewnieniu przez energetykę konwencjonalną regulowalności umożliwiającej kompensowanie niestabilnej pracy źródeł odnawialnych (uwarunkowania klimatyczne Polski nie pozwalają na stabilne korzystanie z OZE, a tym samym na efektywne ich wykorzystanie bez użycia, póki co drogich i mało efektywnych, rozwiązań akumulowania wytworzonej energii, tymczasowo niepotrzebnej – magazyny energii w idei łagodzą obciążenia sieci elektroenergetycznej w szczytach, gromadząc energię, kiedy występuje jej nadprodukcja).

Oprócz magazynowania energii elektrycznej zasadny jest również rozwój magazynów ciepła oraz układów akumulacji ciepła produkowanego, np. w elektrociepłowniach, szczególnie w miesiącach letnich, kiedy moc osiągana przez jednostki kogeneracyjne znacznie przekracza zapotrzebowanie na ciepło. Budowa układów akumulacji ciepła pozwala również na optymalizację pracy układu kogeneracyjnego poprzez pracę bloku gazowo-parowego z maksymalną mocą cieplną i elektryczną w okresie wysokich cen energii elektrycznej, skrócenie czasu pracy bloków powodujące obniżenie kosztów serwisowych czy minimalizację pracy kotłów szczytowych w okresie przejściowym, co w znaczący sposób przyczyni się do wzrostu tempa transformacji.

Zalety i wady technologii – czy mamy wybór?

Analizując magazyny energii należy spojrzeć szerzej na postępującą transformację sektora energetycznego. Magazynowanie będzie odgrywało znaczącą rolę w zwiększaniu udziału w rynku źródeł zero- i niskoemisyjnych, zwiększając istotnie elastyczność sieci na wahania poboru mocy po stronie odbiorcy. Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA) szacuje, że ograniczenie globalnego ocieplenia do poniżej 2°C będzie wymagało zwiększenia globalnie zainstalowanej zdolności magazynowania do 450 GW w 2050 r. Ten ponad dwukrotny wzrost w stosunku do obecnych możliwości akumulacyjnych jest konieczny, ponieważ, jak podkreśla Komisja Europejska, magazynowanie energii może wspierać plany UE dotyczące unii energetycznej, pomagając w zapewnieniu bezpieczeństwa energetycznego, dobrze funkcjonującego rynku wewnętrznego i przyczyniając się do zwiększenia liczby odnawialnych źródeł energii przyłączonych do sieci (co obecnie przysparza problemów w niektórych regionach Europy). Pomimo dużych kosztów infrastrukturalnych, wpływu na środowisko i otoczenie, magazyny energii przy rozwoju OZE są koniecznością.

Magazyny energii w polskiej sieci elektroenergetycznej – przykłady rozwiązań i planowane inwestycje

Polska energetyka od wielu lat bazuje w głównej mierze na paliwach kopalnych oraz dysponuje znaczną liczbą bloków wytwórczych o niskiej sprawności, co w efekcie zapewnia nam niechlubne drugie miejsce w światowej statystyce emisji CO₂ przypadającej na jednostkę wytwarzanej energii elektrycznej (765 kg CO₂/MWh). Do najbardziej oczekiwanych innowacji w polskiej energetyce przy zakładanym rozwoju mocy wytwórczych OZE zawartych w zapisach Polityki Energetycznej Polski do 2040 roku (w 2030 roku OZE ma odpowiadać za 32% generowanej energii elektrycznej) należą m.in. wydajne i nowoczesne technologie magazynowania energii, które obok rozwoju elektromobilności, implementacji inteligentnego opomiarowania i systemów zarządzania energią, również pozwalają obniżyć jednostkowe zużycie energii oraz stabilizować rynek mocy.

Najpopularniejsze i największe polskie magazyny energii stanowią elektrownie szczytowo- pompowe, które zapewniają łączną moc ok. 1,75 GW, a na które składają się zbudowane w latach 80. ubiegłego wieku dwa duże obiekty – Żarnowiec (716 MW) i Porąbka-Żar (500 MW) oraz kilka mniejszych zlokalizowanych w Solinie, Żydowe, Niedzicy oraz Dychowie. Wskazane elektrownie to swoiste akumulatory energii, niezbędne do kompensacji niestabilności elektrowni bazujących na energii z wiatru czy Słońca. Są przygotowane do szybkiego uruchomienia i dostosowane mocą do potrzeb regulacyjno-interwencyjnych Krajowego Systemu Elektroenergetycznego. W przeszłości głównym ich zadaniem było niwelowanie dobowych wahań zużycia energii elektrycznej, natomiast obecnie ich zasadniczą funkcją jest świadczenie usług regulacyjnych na rzecz Operatora Systemu Przesyłowego. Oprócz wspomnianych, funkcjonujących elektrowni, powstać mają dwie kolejne.

Projekt budowy elektrowni szczytowo-pompowej w Turowie w wyrobisku po kopalni węgla brunatnego, zakłada powstanie obiektu o mocy 2,3 GW współpracującego z farmą wiatrową i fotowoltaiczną oraz elektrownią na biomasę, które miałyby również powstać wokół wyeksploatowanych złóż. Ponadto według planów zlokalizowana na Dolnym Śląsku i planowana od lat 70. ubiegłego wieku Elektrownia Szczytowo-Pompowa „Młoty” o mocy 750 MW ma powstać do 2030 roku.

Na terenie Polski realizowane są również innowacyjne inwestycje bateryjnych (chemicznych) magazynów energii (BME), takich jak projekt w Bystrej pod Gdańskiem (o mocy 6MW i pojemności 27,3 MWh) czy w Cieszanowicach w województwie łódzkim (o mocy 3 MW i pojemności 774 kWh). Możliwości obecnie oddanych do eksploatacji magazynów (w okolicach lądowych farm wiatrowych) są niewielkie w porównaniu do planów, które do 2030 roku zamierza zrealizować Grupa Kapitałowa PGE. PGE planuje wybudować bateryjny magazyn energii, którego moc ma być nie mniejsza niż 205 MW, a pojemność wynieść co najmniej 820 MWh. Obiekt ma powstać w okolicy wspomnianej wcześniej elektrowni szczytowo-pompowej w Żarnowcu. Uzyskana w ten sposób instalacja hybrydowa w Żarnowcu o łącznej mocy ok. 921 MW i pojemności ponad 4,6 GWh odpowiadałaby mocy największych konwencjonalnych bloków węglowych w Polsce.

Jednym ze sposobów akumulowania energii elektrycznej są metody P2H. Projekt „Polska strategia wodorowa” przewiduje, że moc elektrolizerów do produkcji wodoru z energii wygenerowanej przez źródła zeroemisyjne w Polsce sięgnie nawet 2 GW do 2030 roku. Ten scenariusz wydaje się być szczególnie ambitny w sytuacji najbardziej oczekiwanego przypadku, jakim jest produkcja tzw. „zielonego wodoru” w instalacjach OZE. Niestety do tej pory w Polsce nie powstała żadna tego typu instalacja, głównie ze względu na wysokie koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne.

Docelowo ma powstać 800 MW nowych instalacji magazynowania energii w Polsce do 2030 roku. Instalacje zapewnią bezpieczną integrację systemową nowych odnawialnych źródeł energii, przyczynią się do stabilizacji systemu elektroenergetycznego oraz poprawią bezpieczeństwo energetyczne kraju, co jest niezwykle istotne z punktu widzenia konkurencyjności krajowej gospodarki.