Magazyn energii to zespół urządzeń umożliwiających przechowanie energii elektrycznej lub cieplnej, magazynowanie energii jest możliwe w różnych postaciach i w oparciu o szereg technologii, takich jak bateryjny magazyn energii (akumulator), elektrownia szczytowo-pompowa, czy CAES (magazyn energii na sprężone powietrze). W tym wpisie opiszę szczegółowo bateryjny magazyn energii elektrycznej.
Kiedy słyszymy słowo „energia”, wielu z nas od razu myśli o biegu na bieżni, naładowanym telefonie komórkowym czy o zapalonym świetle w kuchni. Ale co staje się z energią, gdy nie jest nam potrzebna? Jak magazynujemy energię, która pozostaje niewykorzystana? Czy to naprawdę możliwe? Odpowiedzi na te pytania znajdziesz w moim kompleksowym kompendium, gdzie zabiorę Cię w podróż przez fascynujący świat magazynowania energii. Przygotuj się na spotkanie z technologiami, które są nie tylko naukowo pociągające, ale mogą być kluczem do zrównoważonej przyszłości naszej planety.
Spis treści:
Rozdział 1: Magazyn energii – czym jest bateryjny magazyn energii
Rozdział 2: Rodzaje ogniw stosowanych w magazynach energii
Rozdział 3: Elementy magazynu energii – falownik dwukierunkowy, akumulator, EMS, SCADA
Rozdział 4: Magazyn energii w działaniu – praktyczne zastosowania w różnych sektorach
Rozdział 5: Ku przyszłości – wizja rozwoju technologii magazynowania energii
Rozdział 6: Magazyn energii a zrównoważony rozwój – jak magazynowanie energii wpływa na środowisko i wspiera źródła energii odnawialnych
FAQ – Magazyn energii pytania i odpowiedzi
Kontenerowy magazyn energii chłodzony cieczą.
Magazyn energii – czym jest bateryjny magazyn energii
Magazyn energii to technologia lub system, który pozwala na przechowywanie energii wyprodukowanej w jednym momencie , aby mogła być wykorzystana w innym. Chociaż brzmi to prosto, technologie i mechanizmy, które umożliwiają to na dużą skalę, są niezwykle złożone. Bateryjne magazyny energii, czyli systemy wykorzystujące baterie do przechowywania energii, są jednym z najbardziej innowacyjnych i efektywnych rozwiązań w tej dziedzinie.
W bateryjnym magazynie energii energia jest przechowywana w formie chemicznej. Kiedy jest potrzebna, reakcje chemiczne wewnątrz baterii są odwracane, co pozwala na wygenerowanie prądu elektrycznego. Typ baterii używany do magazynowania energii zależy od wielu czynników, takich jak koszt, dostępność, trwałość, gęstość energetyczna i wiele innych. Obecnie najpopularniejszymi typami są akumulatory NMC, litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP / LiFePO4), LTO i kwasowo-ołowiowe (w tym AGM i żelowe).
Rodzaje ogniw stosowanych w magazynach energii
Ogniwa litowo-jonowe – standard magazynowania energii
Ogniwa litowo-jonowe są obecnie najczęściej stosowanym typem ogniw w magazynach energii. Ich popularność wynika z wysokiej gęstości energetycznej, długiego czasu życia i względnej bezpieczeństwa. Niemniej jednak, ogniwa litowo-jonowe nie są pozbawione wad. Koszt produkcji jest dość wysoki, a proces wydobycia litu i kobaltu (często stosowanego w katodach) jest kosztowny zarówno ekonomicznie, jak i ekologicznie.
Rodzaje ogniw litowych:
Ogniwa NMC (Nikel-Mangan-Cobalt)
Ogniwa NMC, nazywane również ogniwami litowo-niklowo-manganowo-kobaltowymi, są jednymi z najpopularniejszych ogniw litowo-jonowych na rynku. Stosowane są zarówno w urządzeniach przenośnych, jak i w samochodach elektrycznych.
Zalety:
- Wysoka gęstość energetyczna: Ogniwa NMC przechowują dużo energii na jednostkę masy, co sprawia, że są idealne dla urządzeń mobilnych, takich jak samochody elektryczne.
- Dobra wydajność: Są one również wydajne pod względem ilości cykli ładowania i rozładowania, co oznacza dłuższy okres użytkowania.
Wady:
- Wysoki koszt: Ogniwa NMC są stosunkowo drogie do produkcji ze względu na koszt surowców, takich jak kobalt.
- Kwestie środowiskowe: Wydobycie kobaltu jest kosztowne zarówno ekonomicznie, jak i ekologicznie, a niektóre zasoby kobaltu pochodzą z krajów, gdzie są poważne obawy dotyczące praw człowieka.
Ogniwa LTO (Litowo-Tytanate)
Ogniwa LTO, inaczej ogniw litowo-tytanowe, to specjalny rodzaj ogniw litowo-jonowych, które mają anodę z tytanatu litu zamiast tradycyjnego węgla.
Zalety:
- Szybkie ładowanie: Ogniwa LTO mogą być ładowane i rozładowane w bardzo krótkim czasie, co czyni je idealnymi dla zastosowań, które wymagają szybkiego ładowania.
- Długa żywotność: Ogniwa LTO są bardzo wytrzymałe i mogą przetrwać wiele więcej cykli ładowania i rozładowania niż typowe ogniwa litowo-jonowe.
Wady:
- Niska gęstość energetyczna: Ogniwa LTO przechowują mniej energii na jednostkę masy niż inne ogniwa litowo-jonowe, co oznacza, że są mniej odpowiednie dla zastosowań, które wymagają dużego magazynowania energii, takich jak samochody elektryczne.
- Wysoki koszt: Ogniwa LTO są stosunkowo drogie do produkcji ze względu na wysoki koszt tytanu.
Ogniwa LFP (Litowo-Żelazowo-Fosforanowe)
Ogniwa LFP, nazywane również ogniwami litowo-żelazowo-fosforanowymi, to kolejny typ ogniw litowo-jonowych, które mają anodę z fosforanu żelaza.
Zalety:
- Bezpieczeństwo: Ogniwa LFP są znane ze swojej stabilności termicznej i chemicznej, co oznacza, że są mniej podatne na przegrzewanie i zapalenie niż inne typy ogniw.
- Niski koszt surowców: Fosforany żelaza są stosunkowo tanie i łatwe do pozyskania, co sprawia, że ogniwa LFP są tańsze do produkcji niż ogniwa NMC czy LTO.
Wady:
- Niska gęstość energetyczna: Podobnie jak ogniwa LTO, ogniwa LFP przechowują mniej energii na jednostkę masy niż ogniwa NMC, co oznacza, że są mniej odpowiednie dla zastosowań wymagających dużego magazynowania energii.
- Słabsza wydajność przy niskich temperaturach: Ogniwa LFP mają tendencję do gorszego działania w niskich temperaturach, co może stanowić problem w niektórych środowiskach.
Ogniwa sodowo-siarkowe, ogniwa cynkowe – perspektywiczna alternatywa
Ogniwa sodowo-siarkowe to obiecująca technologia, która ma potencjał stać się alternatywą dla ogniw litowo-jonowych. Minusem tych ogniw jest krótsza żywotność i niskie prądy ładowania i rozładowania, często ograniczane poziomami SOC.
Ogniwa redox – magazynowanie energii na skalę przemysłową
Ogniwa redox (lub przepływowe) to interesująca technologia, która umożliwia skalowalne magazynowanie energii na dużą skalę. Mogą one pracować przez bardzo długie okresy czasu bez znacznego spadku wydajności. Niemniej jednak, są one skomplikowane w budowie i obsłudze, a ich gęstość energetyczna jest stosunkowo niska.
Elementy magazynu energii – falownik dwukierunkowy, akumulator, EMS, SCADA
Do stworzenia efektywnego i niezawodnego systemu magazynowania energii niezbędne są pewne kluczowe komponenty. W tym rozdziale omówimy cztery z nich: falownik dwukierunkowy, akumulator, system zarządzania energią (EMS) oraz system kontroli i akwizycji danych (SCADA).
Falownik dwukierunkowy
Falownik dwukierunkowy jest niezwykle istotnym elementem magazynu energii. Umożliwia przekształcenie prądu stałego (DC), generowanego przez ogniwa fotowoltaiczne lub przechowywanego w bateriach, na prąd zmienny (AC), który jest zgodny ze standardem sieciowym. Co więcej, jest 'dwukierunkowy’ – co oznacza, że może zarówno zamieniać prąd stały na zmienny (podczas wykorzystywania energii zmagazynowanej w baterii), jak i zmienny na stały (podczas ładowania baterii).
Przykładowe moce hybrydowych falowników obsługujących magazyny energii i fotowoltaikę:
- falownik hybrydowy 20 kW
- falownik hybrydowy 30 kW
- falownik hybrydowy 50 kW
- falownik hybrydowy 100 kW
- falownik hybrydowy 120 kW
Przykładowe moce falowników dwukierunkowych obsługujących magazyny energii:
- falownik 75 kW
- falownik 100 kW
- falownik 250 kW
- falownik 500 kW
- falownik 630 kW
- falownik 1000 kW
- falownik 1175 kW
- falownik 2000 kW
- falownik 3450 kW
- falownik 4000kW
Najnowsze przekształtniki dwukierunkowe duże zintegrowane są ze stacjami transformatorowymi i przyłączane do średniego napięcia 6kV-35kV.
Akumulator
Akumulator, czyli bateria, jest miejscem, gdzie energia jest przechowywana. Typ akumulatora zależy od konkretnych wymagań systemu. W poprzednich rozdziałach omówiłem różne typy ogniw stosowanych w magazynach energii, takie jak NMC, LTO czy LFP.
Najnowocześniejsze magazyny energii LFP chłodzone cieczą mieszczą do 3,5 MWh w kontenerze 20ft (6m x 2.5m), taki magazyn energii może wykonać nawet 8000 cykli do 80% DoD.
System Zarządzania Energia (EMS)
EMS to zaawansowany system kontrolny, który monitoruje, kontroluje i optymalizuje wydajność magazynu energii. Może regulować, kiedy i ile energii należy przechować lub wydobyć, w zależności od różnych czynników, takich jak zapotrzebowanie na energię, cena energii, pogoda (w przypadku systemów opartych o energię słoneczną) i wiele innych.
System EMS to często lokalny system w oparciu o sterownik PLC.
System Kontroli i Akwizycji Danych (SCADA)
SCADA to system, który pozwala operatorom na zdalne monitorowanie i sterowanie procesami technologicznymi. W kontekście magazynowania energii, system SCADA może gromadzić dane z różnych czujników rozmieszczonych w całym systemie, monitorować status i wydajność komponentów (takich jak akumulatory i falowniki), a także wprowadzać korekty w czasie rzeczywistym, aby optymalizować działanie systemu.
Dopasuj system SCADA do potrzeb i skali, skalowalne innowacyjne systemy opierają się na protokole MQTT.
EMS, system NRG Project zarządzania energią na sterowniku PLC WAGO:
SCADA, wizualizacja architektury:
Przekształtnik dwukierunkowy SMA Sunny Central Storage:
PRO TIP: Pamiętaj o dopasowaniu zakresu DC Baterii do zakresu DC Falownika
PRO TIP: Zwróć uwagę na rodzaj balansowania ogniw
PRO TIP: Opracuj system EMS umożliwiający balansowanie ogniw
Magazyn energii w działaniu – praktyczne zastosowania w różnych sektorach
Systemy magazynowania energii odgrywają coraz ważniejszą rolę w nowoczesnym społeczeństwie, ze względu na ich zdolność do zapewnienia elastyczności, niezawodności i optymalizacji zużycia energii. Poniżej omówimy kilka praktycznych zastosowań magazynów energii w różnych sektorach.
Energetyka odnawialna
W energetyce odnawialnej, magazyny energii są kluczowe do wygładzania nieregularności w produkcji energii ze źródeł takich jak wiatr i słońce. Gdy produkcja przekracza zapotrzebowanie, nadmiar energii może być magazynowany na później, gdy produkcja spada poniżej zapotrzebowania. Inne zastosowania:
-stabilizacja napięcia
-stabilizacja częstotliwości i podawanie częstotliwości
-black start
-peak-shaving (wygładzanie szczytowego zapotrzebowanie przez przeniesienie produkcji)
-cablepooling (montaż kilku źródeł OZE na jednym przyłączu)
-budowa wirtualnej elektrownii
Sieci energetyczne
W sieciach energetycznych, magazyny energii mogą służyć do stabilizacji sieci, poprzez dostarczanie mocy szczytowej lub obsługę chwilowych przerw w dostawie energii. Mogą także pomagać w integracji ze źródłami odnawialnymi i zmiennymi, co przyczynia się do większej elastyczności i niezawodności sieci.
Budynki i domy
W budynkach mieszkalnych i komercyjnych, magazyny energii mogą być wykorzystywane do zarządzania zużyciem energii, redukcji kosztów i zwiększenia niezależności energetycznej. Przykładowo, energia zebrana z paneli słonecznych w ciągu dnia może być magazynowana i wykorzystywana w nocy lub w czasie szczytu zapotrzebowania, co pozwala na oszczędności w rachunkach za energię.
Mobilność elektryczna
W sektorze mobilności elektrycznej, magazyny energii są kluczowe dla rozwoju pojazdów elektrycznych. Ogniwa litowo-jonowe są obecnie dominującą technologią w tym obszarze, choć badane są również inne technologie, takie jak ogniwa na ciecz jonową czy magazyny energii na bazie wodoru.
Przemysł
W przemyśle, magazyny energii mogą służyć do zapewnienia ciągłości zasilania w procesach produkcyjnych, które wymagają niezawodnej dostawy energii. Ponadto, magazyny mogą pomóc w zarządzaniu zużyciem energii, poprzez magazynowanie energii w okresach niskiego zapotrzebowania i jej wykorzystywanie w czasie szczytów.
Przykład 1 : Budowa magazynu energii przez Tauron Dystrybucję w celu mitygacji asynchroniczności sieci, wynikającej z montażu dużej ilości instalacji jednofazowych.
Przykład 2 : Budowa magazynu energii 1 MW/2MWh w firmie produkcyjnej rozliczającej się w cenach SPOT, która posiada instalację fotowoltaiczną 1.5 MWp bez możliwości eksportu energii do sieci. Cel: peak-shaving, obniżenie mocy zamówionej, obniżenie kosztów zakupu energii, uniknięcie opłaty mocowej.
Ku przyszłości – wizja rozwoju technologii magazynowania energii
Magazynowanie energii jest niezwykle istotnym elementem przyszłości energetyki, szczególnie w kontekście rosnącego zapotrzebowania na odnawialne źródła energii i elektromobilność. Jaka jest więc wizja rozwoju technologii magazynowania energii w przyszłości?
Więcej pojemności i wydajności
Badania nad magazynami energii są intensywnie prowadzone na całym świecie. Głównym celem jest zwiększenie pojemności i wydajności tych systemów. Większa pojemność oznacza, że systemy będą w stanie przechowywać więcej energii na dłuższy czas, co jest kluczowe dla utrzymania stabilności sieci, szczególnie w kontekście rosnącego udziału nieregularnych źródeł odnawialnych.
W 2020 poj. w kontenerze 40ft LFP 2-3 MWh
W 2020 poj. w kontenerze 40ft LFP 6-7 MWh
Nowe technologie
Rozwój nowych technologii magazynowania energii, takich jak ogniwa redox, akumulatory metalowo-powietrzne, solid state czy technologie na bazie wodoru, może przynieść przełom w obszarze magazynowania energii. Te technologie obiecują lepszą wydajność, bezpieczeństwo i trwałość, co może przyczynić się do dalszej popularyzacji magazynów energii.
Zintegrowane systemy
Przyszłość magazynowania energii prawdopodobnie przyniesie również bardziej zintegrowane systemy, które łączą różne technologie magazynowania i generacji energii. Na przykład, systemy magazynowania energii mogą być połączone z panelami słonecznymi, turbinami wiatrowymi, a nawet stacjami ładowania pojazdów elektrycznych, tworząc zintegrowane, inteligentne sieci energetyczne.
Lepsze zarządzanie i kontrola
Rozwój technologii informatycznych, takich jak sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe, może znacząco poprawić zarządzanie i kontrolę systemów magazynowania energii. Te technologie mogą pomóc w optymalizacji zużycia energii, predykcji zapotrzebowania i produkcji, a także monitorowaniu stanu systemów i prognozowaniu potencjalnych problemów.
Przyszłość magazynowania energii wodorowej
Kiedy rozmawiamy o przyszłości magazynowania energii, nie można pominąć rosnącego znaczenia wodoru. Wodor jest atrakcyjnym medium do magazynowania energii, ze względu na jego wysoką gęstość energetyczną i potencjalne zastosowanie w szerokim zakresie sektorów, od transportu po przemysł.
Pierwszym krokiem w procesie magazynowania energii wodorowej jest elektroliza wody, która dzieli wodę na wodór i tlen, wykorzystując do tego energię elektryczną. Wodór można następnie przechowywać w odpowiednich zbiornikach i wykorzystać w późniejszym czasie do wytworzenia energii elektrycznej za pomocą ogniwa paliwowego.
Jednym z głównych wyzwań w zakresie magazynowania energii wodorowej jest rozwój bezpiecznych i efektywnych metod przechowywania i transportu wodoru. Wodór ma najmniejszy atom spośród wszystkich elementów, co oznacza, że łatwo przenika przez materiały i może być trudny do składowania. W związku z tym badania skupiają się na rozwoju nowych materiałów i technologii, które mogą skutecznie przechowywać i transportować wodór.
Innym wyzwaniem jest rozwój efektywnych elektrolizerów i ogniw paliwowych, które są kluczowe dla procesu magazynowania i wykorzystywania energii wodorowej. Tutaj również intensywne są badania naukowe, które mają na celu poprawę wydajności i obniżenie kosztów tych technologii.
Największy elektrolizer w Polsce znajduje się w Gaju Oławskim (Klaster Energii) i ma moc 5MW
FAQ – Magazyn energii pytania i odpowiedzi
Co to jest magazyn energii?
Magazyn energii to system, który pozwala na przechowywanie energii do późniejszego wykorzystania. Może to obejmować różne technologie, takie jak akumulatory, ogniwa paliwowe, magazyny energii cieplnej, a nawet elektrownie wodne szczytowe.
Dlaczego magazynowanie energii jest ważne?
Magazynowanie energii jest kluczowe dla stabilności sieci energetycznej. Pozwala na przechowywanie energii, kiedy jej produkcja przekracza zapotrzebowanie, i uwalnianie jej, kiedy zapotrzebowanie przekracza produkcję. Jest to szczególnie ważne dla odnawialnych źródeł energii, które są z natury nieregularne, takie jak energia słoneczna czy wiatrowa.
Jakie są główne typy magazynów energii?
Główne typy magazynów energii obejmują: akumulatory (np. litowo-jonowe, ołowiowe, sodowo-siarczkowe), elektrownie wodne szczytowe, systemy magazynowania energii cieplnej i chemicznej (np. wodór), oraz sprężone powietrze i latające koła zamachowe.
Czy magazyny energii są bezpieczne?
Bezpieczeństwo magazynów energii zależy od konkretnego typu technologii i jej zastosowania. Wszystkie systemy magazynowania energii muszą spełniać określone standardy bezpieczeństwa, a wiele z nich, jak na przykład akumulatory litowo-jonowe, ma zintegrowane systemy zarządzania bezpieczeństwem. Ważne jest jednak zawsze prawidłowe projektowanie, instalowanie i obsługiwanie tych systemów.
Jakie są korzyści i wady różnych typów magazynów energii?
Każdy typ magazynu energii ma swoje unikalne korzyści i wady. Na przykład, akumulatory litowo-jonowe są kompaktowe i mają wysoką gęstość energetyczną, ale mogą być drogie i mają ograniczony cykl życia. Z drugiej strony, elektrownie wodne szczytowe mogą przechowywać bardzo duże ilości energii na długi czas, ale wymagają odpowiednich warunków geograficznych.
Jak rozwija się technologia magazynowania energii?
Technologia magazynowania energii rozwija się bardzo szybko. Naukowcy na całym świecie pracują nad nowymi i lepszymi metodami magazynowania energii, które są bardziej efektywne, trwałe i ekonomiczne. Obecnie dużo uwagi poświęca się rozwojowi technologii magazynowania energii na bazie wodoru, a także poprawie istniejących technologii, takich jak akumulatory litowo-jonowe.
Jak długa jest żywotność różnych typów ogniw?
Żywotność ogniwa zależy od wielu czynników, w tym typu ogniwa, warunków użytkowania i obsługi.
Ogniwa litowo-jonowe: W zależności od warunków, mogą wytrzymać od 500 do 1000 cykli ładowania, co w praktyce może oznaczać od 3 do 5 lat użytkowania.
Ogniwa litowo-polimerowe: Mają podobną żywotność do ogniw litowo-jonowych.
- Jak długa jest żywotność różnych typów ogniw?
Żywotność ogniwa zależy od wielu czynników, w tym typu ogniwa, warunków użytkowania i obsługi.
-
Ogniwa litowo-jonowe: W zależności od warunków, mogą wytrzymać od 500 do 1000 cykli ładowania, co w praktyce może oznaczać od 3 do 5 lat użytkowania.
-
Ogniwa litowo-polimerowe: Mają podobną żywotność do ogniw litowo-jonowych.
-
NMC – 1000-2000 cykli
-
Ogniwa litowo-żelazowo-fosforanowe: Mogą wytrzymać do 2000-8000 cykli ładowania.
-
Ogniwa sodowo-siarczkowe: Mogą wytrzymać od 2500 do 4500 cykli ładowania.
- LTO: 5000-10000 cykli
Ile kosztuje magazyn energii w technologii LFP?
Cena wielkoskalowego magazynu energii LFP w zależności od aplikacji to 300 000 – 400 000 EUR/MWh
Potrzebujesz magazynu energii? Napisz do mnie jesteśmy dystrybutorami kilku światowych producentów magazynów energii, co więcej posiadamy produkcję w Polsce magazynów energii. k.talar@nrgproject.pl lub tel. 693365104