Jak działa magazyn energii?

Jak działa magazyn energii? To pozornie proste pytanie może sprawić problem wielu czytelnikom. Niby rzecz powszechna, wręcz medialna. A jednak nie do końca wiemy, co to jest magazyn energii i jak działa. W dobie rosnącej roli odnawialnych źródeł energii (OZE), magazyny energii zyskują na popularności. Pozwalają na stabilizację pracy sieci elektroenergetycznej. Zwiększają efektywność wykorzystania zielonej energii. Umożliwiają też lepsze zarządzanie zużyciem prądu zarówno w gospodarstwach domowych, jak i w przemyśle. Zielona energia, choć ekologiczna, bywa nieprzewidywalna. Produkcja z fotowoltaiki czy elektrowni wiatrowych zależy od warunków pogodowych. Właśnie dlatego niezbędne jest jej magazynowanie. Taką energię można wykorzystać w momencie największego zapotrzebowania.

Czym jest magazyn energii i dlaczego jest potrzebny?

Magazyn energii to system służący do przechowywania nadwyżek energii elektrycznej. Umożliwia on późniejsze jej wykorzystanie. Może przyjmować różne formy. Od popularnych baterii litowo-jonowych po rozwiązania mechaniczne czy cieplne. Głównym ich zadaniem jest zapewnienie ciągłości dostaw energii i optymalizacja jej zużycia. Pozwalają magazynować energię wyprodukowaną przez instalację fotowoltaiczną w ciągu dnia i zużywać ją wieczorem. W skali przemysłowej pomagają równoważyć obciążenia sieci. Zwiększają tym samym stabilność systemu. Rola magazynów energii w transformacji energetycznej jest nieoceniona. Przejście z systemów opartych na paliwach kopalnych na źródła odnawialne byłby bez nich niemożliwy. Energię słoneczną, wiatrową, czy wodna trzeba gdzieś lokować. Magazyny energii stanowią nieodzowny element zmiany. Zapewniają bufor energetyczny między produkcją a konsumpcją. Dzięki magazynom możliwe jest zwiększenie udziału OZE w miksie energetycznym. Nie zachodzi przy tym obawa o destabilizację sieci. Umożliwiają one także rozwój inteligentnych sieci (smart grids) i zarządzanie energią w czasie rzeczywistym. To zaś przekłada się na oszczędności i większą niezależność energetyczną.

Podstawowe typy magazynów energii

Magazyny energii występują w różnych formach. Każda odpowiada na inne potrzeby energetyczne i warunki środowiskowe. Najpopularniejsze z nich to:

• Magazyny elektrochemiczne. To wszelkiego rodzaju baterie i akumulatory. Najczęściej stosuje się baterie litowo-jonowe (Li-ion), Głównie z uwagi ich długą żywotność. Coraz częściej pojawiają się nowe rozwiązania. Światowi naukowcy nieustannie pracują, by stworzyć ogniwo doskonałe. Stąd na rynku pojawiają się też baterie LFP (litowo-żelazowo-fosforanowe) oraz sodowo-jonowe. Są tańsze, a surowiec do ich produkcji jest bardziej dostępny.
• Magazyny mechaniczne. Te obejmują takie technologie jak koła zamachowe czy magazynowanie sprężonego powietrza (CAES). Stosowane są w przemyśle. Zwłaszcza tam, gdzie konieczne jest szybkie uwalnianie dużych ilości energii.
• Magazyny cieplne. To systemy, które przechowują energię w postaci ciepła. Mogą być to roztopione sole, woda i inne materiały. Świetnie sprawdzają się w połączeniu z kolektorami słonecznymi i systemami grzewczymi.
• Magazyny hydrauliczne. W Polsce i na świecie powszechne są tzw. elektrownie szczytowo-pompowe. Działają one na zasadzie pompowania wody do zbiornika górnego w czasie nadwyżek energii. Podczas zwiększonego zapotrzebowania na energię spuszczania jest przez turbiny.

Jak działają magazyny energii – schemat i procesy

Magazyn energii działa na zasadzie akumulatora. Energia jest ładowana, a następnie magazynowana. Gdy jest potrzebna, pobiera ją się z magazynu.

W uproszczeniu cały proces dzieli się na trzy etapy:

1. Ładowanie. To czas, w którym nadwyżki energii z OZE są kierowane do magazynu.
2. Przechowywanie. Energia jest zachowywana w formie dostosowanej do technologii magazynowania. Może być to ładunek elektryczny lub ciepło. Przechowuje się ja też w postaci energii kinetycznej.
3. Rozładowywanie. Oddawanie energii do instalacji elektrycznej lub do sieci. Dzieje się to w momencie zwiększonego na nią zapotrzebowania.

Ważnym aspektem jest tu efektywność cyklu. Rzecz w tym ile energii da się odzyskać względem ilości wprowadzonej. Dobrej klasy baterie litowo-jonowe osiągają nawet 90–95% sprawności. Czyni je to bardzo efektywnym rozwiązaniem. Magazyny energii idealnie współpracują z systemami fotowoltaiki i energii wiatrowej. Umożliwiają stabilniejsze i przewidywalne wykorzystywanie źródeł zależnych od pogody. Fotowoltaika w ciągu dnia często produkuje więcej energii, niż jest zużywane na bieżąco. Bez magazynu nadmiar ten trafia do sieci. Użytkownik nie może z niego skorzystać w nocy. Magazyn umożliwia wykorzystanie 100% wyprodukowanej energii we własnym zakresie. Zwiększa to niezależność energetyczną od dostawców. Przekłada się to na niższe rachunki. Farmy wiatrowe także mogą korzystać z magazynów energii. Tu najczęściej nadprodukcja pochodzi z godzin nocnych. Wtedy zapotrzebowanie jest znikome. Takie rozwiązanie zmniejsza konieczność odcinania turbin. Pozwala efektywniej wykorzystać potencjał wiatru.

Domowe magazyny energii

Domowe magazyny energii zdobywają coraz więcej zwolenników. Najczęściej to właściciele domów jednorodzinnych decydują się na takie rozwiązanie. Zwłaszcza w połączeniu z panelami fotowoltaicznymi. System taki pozwala nie tylko na dużą oszczędność. W dużej mierze można uniezależnić się od sieci elektroenergetycznej. Kiedy warto zainwestować w domowy magazyn energii? Choćby wtedy, gdy instalacja fotowoltaiczna produkuje więcej energii, niż zużywa się na bieżąco. Magazyn energii pozwala wykorzystać tę nadwyżkę w nocy. Idealnie sprawdzi się też podczas przerw w dostawie prądu. Warto pamiętać, że większość energii przesyłana jest do domów liniami napowietrznymi. Podczas gwałtownych zdarzeń pogodowych nietrudno jest o ich zerwanie. Magazyn energii utrzyma zasilanie domu przez kilkanaście godzin. To dobre rozwiązanie dla osób, które cenią sobie bezpieczeństwo energetyczne. Zestawy domowe mają zazwyczaj pojemność od 5 do 20 kWh. Najczęściej są to baterie litowo-jonowe. Zintegrowane są z falownikiem hybrydowym i inteligentnym systemem zarządzania energią. Zestawy mogą oferować funkcję pracy w trybie off-grid. Oznacza to, że w razie awarii sieci dom nadal ma zasilanie.

Magazyn energii w kontekście sieci energetycznej

Magazyny energii nie służą jedynie pojedynczym gospodarstwom. Ich rola jest coraz większa w całym systemie elektroenergetycznym. Sieci muszą być stale zrównoważone. To znaczy, że ilość produkowanej energii musi odpowiadać zużyciu w czasie rzeczywistym. Nawet niewielkie zaburzenia mogą prowadzić do spadków napięcia. W skrajnych przypadkach wręcz do nieplanowanego blackoutu. Magazyny energii pełnią funkcję bufora. Gromadzą energię, gdy jej produkcja przewyższa zapotrzebowanie. Zazwyczaj jest to w dzień, kiedy dużą jej część wytwarzają panele fotowoltaiczne. Magazyny energii oddają ją do sieci, gdy produkcja spada (np. w nocy). Dzięki temu stabilizują sieć. Pozwalają operatorom lepiej zarządzać przepływem energii w systemie regionalnym i krajowym. Duże magazyny energii powiększają udział odnawialnych źródeł w miksie energetycznym kraju. Bez obawy o destabilizację systemu. Magazyny są też używane do tzw. usług systemowych. To choćby potrzeba błyskawicznego dostarczania mocy w sytuacjach awaryjnych.

Zalety i ograniczenia magazynowania energii

Magazyny energii mają wiele zalet. To one sprawiają, że są kluczowym elementem transformacji energetycznej. Zarówno w skali mikro (domy), jak i makro (sieci energetyczne). Do najważniejszych korzyści zaliczyć należy:

• Zwiększenie autokonsumpcji. Magazyny energii pozwalają wykorzystać więcej wyprodukowanej przez siebie energii. Nie zachodzi potrzeba, by oddawać ją do sieci.
• Oszczędności finansowe. Koszt inwestycji początkowej jest wysoki. Jednak długoterminowe oszczędności na rachunkach za prąd będą znaczne.
• Niezależność energetyczna. Magazyn pozwala na częściowe uniezależnienie się od zewnętrznych dostawców energii. To ważne dla spokoju i wygody mieszkańców.
• Stabilizacja sieci. Zdolności do przechowywania i oddawania energii w czasie szczytu stabilizuje system. Magazyny pozwalają dzięki temu optymalnie zarządzać zasobami energetycznymi.

Niestety, magazyny energii mają też swoje ograniczenia. Jest to technologia, która wciąż raczkuje. Wśród wad magazynów energii wymienić należy:

• Wysoki koszt początkowy. Baterie litowo-jonowe, mimo spadających cen, nadal stanowią dużą inwestycję.
• Ograniczona żywotność. Większość systemów ma określoną liczbę cykli ładowania i rozładowania.
• Recykling i utylizacja. Ten dynamicznie się rozwija. Jednak utylizacja baterii wciąż stanowi wyzwanie środowiskowe.
• Uzależnienie od surowców. Większość technologii magazynowania wymaga metali rzadkich. To głównie lit, kobalt czy nikiel. Ich wydobycie wiąże się z obciążeniem dla środowiska.

Technologie magazynowania energii rozwijają się niezwykle dynamicznie. Dotyczy to zarówno efektywności, jak i kosztów. Inwestycje w badania i rozwój są ogromne. Należy się spodziewać, że zaowocuje to jeszcze wydajniejszymi rozwiązaniami.

Ceny zakupu i eksploatacji magazynu energii

Cena magazynu energii zależy od wielu czynników. To pojemność, rodzaju technologii, producent oraz sposób integracji z instalacją PV i siecią. W domach jednorodzinnych stosuje się najczęściej systemy o pojemności od 5-15 kWh.

Przykładowe koszty:

• System litowo-jonowy 10 kWh – od 20 000 do 35 000 zł brutto.
• System hybrydowy z falownikiem – dodatkowe 5 000–10 000 zł.
• Instalacja i konfiguracja – od 2 000 zł w górę.

Opłacalność inwestycji wzrasta, gdy do magazynu dołączona jest instalacja PV. Użytkownik maksymalizuje wtedy autokonsumpcję. W typowych warunkach zwrot inwestycji następuje po ok. 8–12 latach. Jest to zależne od cen energii, dopłat i intensywności użytkowania.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Czy warto inwestować w domowy magazyn energii?
Tak, zwłaszcza jeśli posiadasz instalację fotowoltaiczną. Jeśli dodatkowo chcesz zwiększyć autokonsumpcję oraz niezależność energetyczną, to inwestycja jest dla Ciebie. Magazyn energii może również działać jako zabezpieczenie na wypadek awarii sieci.

Jak długo działa magazyn energii?
Średnia żywotność nowoczesnych baterii litowo-jonowych to 4 000–6 000 cykli ładowania i rozładowania. Przelicza się to na 10–15 lat użytkowania. Żywotność zależy od jakości systemu, temperatury pracy i sposobu użytkowania.

Czy magazyn energii działa w przypadku awarii sieci?
Tak, ale tylko jeśli system ma funkcję pracy w trybie wyspowym (off-grid). Większość instalacji przestaje działać podczas awarii sieci.

Jakie są różnice między magazynem a UPS?
UPS (zasilacz awaryjny) służy wyłącznie do krótkotrwałego podtrzymania zasilania. Magazyn energii to zaawansowany system pozwalający zarządzać energią. Ładowany jest z różnych źródeł i długoterminowo przechowuje energię.

Czy każdy może zainstalować magazyn energii w domu?
Tak, ale instalacja wymaga odpowiedniego projektu. Także wykwalifikowanego wykonawcy. Jeśli system ma być podłączony do sieci należy zgłosić go do operatora sieci energetycznej.