Ekologicznie = ekonomicznie? Magazynowanie energii

Nie da się ukryć, że do jednych z największych wad energii odnawialnych należy ich zmienność. Stąd, by wyeliminować (ograniczyć) tę wadę, należy energię magazynować i/ lub wspomagać innymi rodzajami energii w chwilach, kiedy będzie brakowało energii pochodzącej bezpośrednio ze źródeł odnawialnych.
Jakie mamy możliwości zmagazynowania pozyskanej energii odnawialnej?

Do najczęściej spotykanych magazynów energii należą:

Najpopularniejszą metodą magazynowania, często wykorzystywaną w naszych domach i biurach, są baterie akumulatorów. Ich zasadniczym zastosowaniem jest rezerwowe zasilanie odbiorników energii elektrycznej w układach bezprzerwowego zasilania (popularne UPS) bądź jako autonomiczne źródło rezerwowego zasilania dla podzespołów agregatów prądotwórczych. Również akumulatory samochodów hybrydowych i akumulatorowych można zaliczyć do tej klasy magazynów energii elektrycznej. Istotnym problemem przy wykorzystywaniu tego typu magazynów w instalacjach domowych jest to, że akumulatory magazynują prąd stały. Aby wykorzystać już istniejącą instalację i urządzenia, które w większości przypadków działają na prąd przemienny, niezbędne jest stosowanie dodatkowych układów, które taki prąd z baterii akumulatorów przekształcą. Niestety takie rozwiązanie niesie za sobą straty energii. Stąd ocenia się, że tylko około 60% energii z akumulatora jest ostatecznie „konsumowana”. Innym pomysłem jest tworzenie niezależnych linii zasilających na prąd stały i napięcie 12 lub 24 V – najczęściej są to instalacje służące do zasilania oświetlenia niskonapięciowego.

Z kolei, gdy zależy nam na gromadzeniu stosunkowo niewielkiej ilości energii elektrycznej (do 1 kWh) oraz tam gdzie ładowanie musi być szybkie i sprawne, możemy pokusić się na wykorzystanie superkondensatorów lub ultrakondensatorów. Tego typu magazyny sprawdzają się tam, gdzie konieczne jest wiele cykli działania, na przykład w hamowaniu odzyskowym w pojazdach, które często ruszają i stają, będąc w nich alternatywą dla akumulatorów.

Ciekawe rozwiązanie tworzą kinetyczne zasobniki energii. W ich przypadku zasobnikiem energii jest koło zamachowe, które w normalnych warunkach obciąża sieć zasilającą w sposób ciągły celem podtrzymania swojej prędkości kątowej. W momencie braku zasilania energia mechaniczna gromadzona w kole jest zamieniana na energię elektryczną. Tego typu rozwiązanie ma zapewniać zasilanie przy krótkotrwałych przerwach w zasilaniu lub służy do szybkiego rozruchu zespołu prądotwórczego. Tym samym służy przede wszystkim łagodzeniu wszelkich chwilowych zakłóceń zasilania z sieci. Najczęściej tworzony jest system: silnik elektryczny - generator - przekształtnik - koło wirujące. Gwarantują one czas autonomii na poziomie kilkunastu sekund. Główną zaletą takiego rozwiązania jest jego prostota oraz brak wywoływania zakłóceń, które są charakterystyczne dla urządzeń energoelektronicznych.

A co w przypadku nadprzewodnikowych magnetycznych zasobników energii? Stosuje się je głównie w celu poprawienia stabilności układu elektroenergetycznego oraz poprawy jakości energii. Ich najważniejszą zaletą jest krótki czas ładowania i rozładowania. Energia jest dostępna prawie natychmiast, a urządzenie przez krótki czas może podawać na wyjście bardzo dużą moc. Tego typu magazyny charakteryzują się również niskimi stratami mocy oraz dużą niezawodnością ze względu na to, że główne elementy systemu pozostają w spoczynku. A jak działają? Nadprzewodnikowy zasobnik energii (SMES) to urządzenie przechowujące energię w polu magnetycznym wytworzonym przez prąd stały płynący w solenoidzie wykonanym z nadprzewodnika. Po naładowaniu prąd cewki nie zanika i energia w jej polu może być magazynowana przez nieokreślony czas. Przy rozładowaniu cewki zgromadzona energia jest zwracana do sieci. W kondycjonerze mocy prąd zmienny jest prostowany lub prąd stały jest zamieniany na zmienny przy pomocy prostownika lub falownika. Metoda magazynowania energii SMES wyróżnia się wydajnością rzędu 95% i bardzo niskim współczynnikiem strat. Z powodu wysokich kosztów chłodzenia i elementów nadprzewodnikowych SMES jest aktualnie wykorzystywany do krótkotrwałego magazynowania energii wszędzie tam gdzie niezbędna jest bardzo duża stabilność sieci zasilającej.

Czas na ogniwa paliwowe, w których energia elektryczna jest wytwarzana w wyniku reakcji utleniania paliwa dostarczonego z zewnątrz. W odróżnieniu od akumulatorów, superkondensatorów, w których energia wytwarzanego prądu musi zostać wcześniej zgromadzona wewnątrz tych urządzeń, ogniwa paliwowe nie muszą być wcześniej ładowane. Wystarczy tylko doprowadzić do nich paliwo. Najczęściej wykorzystywanym paliwem w tych ogniwach jest wodór. Dlatego właśnie nazywamy je wodorowymi. Jakie jest ich wykorzystanie? Przede wszystkim w energetyce, sondach i statkach kosmicznych, systemach zasilania awaryjnego, samochodach na wodór. W przypadku tych ostatnich musimy pamiętać, że ogniwa paliwowe wytwarzają prąd, stąd mamy do czynienia z silnikami elektrycznymi, w odróżnieniu od silników, w których spalany jest wodór, czyli silników cieplnych. Poważnym problemem jest niestety sprawność takich ogniw, która osiąga 30 do 40%. Kolejnym ograniczeniem jest przechowywanie samego wodoru. W stanie gazowym musi być sprężony do wysokiego ciśnienia, a i tak jego gęstość objętościowa energii jest wielokrotnie niższa od benzyny. Natomiast w stanie ciekłym musi być przechowywany w bardzo niskim temperaturach (około -250 stopni C), a jego skroplenie jest bardzo energochłonne.

To może w takim razie kompresyjne zasobniki energii? Instalacje tego typu wykorzystywane są przede wszystkim do współpracy z systemem elektroenergetycznym. Najczęściej do magazynowania sprężonego powietrza stosuje się podziemne zbiorniki po kopalniach soli, węglowodorów, a także skalne struktury porowate (np. piaskowce).
Typowy system energetyczny bazujący na sprężonym powietrzu składa się z zespołu sprężarek, służących do wtłaczania powietrza do zbiornika podziemnego w wyeksploatowanym wyrobisku, zespołu turbin gazowych zasilanych gazem ziemnym i sprężonym powietrzem ze zbiornika, odzysknicy podgrzewającej sprężone powietrze kierowane do turbin gazowych za pomocą ciepła spalin z tych turbin, a na końcu maszyny elektrycznej odwracalnej, która w zależności od bieżących potrzeb pełni funkcję silnika elektrycznego napędzającego sprężarki lub generatora energii elektrycznej napędzanego przez turbiny gazowe. Maszynę elektryczną napędzamy oczywiście energią otrzymaną z OZE – najczęściej dostarczają ją farmy wiatrowe. Dlatego największym problemem jest powiązanie lokalizacji zbiornika z farmą wiatrową. I kolejny problem, to opłacalność tylko dla dużych instalacji.

Pozostały elektrownie szczytowo-pompowe. Jak w opisanych powyżej przypadkach, aby przynosiły zysk muszą być „duże” i również, tak jak wcześniej omówione, mają często problem lokalizacyjny. Jak działają? Zasada działania jest identyczna, jak w każdej elektrowni wodnej – wykorzystuje się turbiny napędzane spadkiem wody. Z tym, że wodę do górnego zbiornika tłoczy się za pomocą pomp z niższego używając tańszego prądu, zakupionego poza szczytem, a podczas największego zapotrzebowania na prąd spuszcza się ją do niższego uruchamiając turbiny.

A co dla przysłowiowego „Kowalskiego”? Niestety, póki co, nie ma zbyt wielu rozwiązań. Najczęściej wykorzystywanymi metodami gromadzenia energii w warunkach domowych są akumulatory – zasilane przez generatory wiatrowe lub ogniwa fotowoltaiczne. Pozostają jeszcze zbiorniki z ciepłą wodą zasilane z systemu solarnego.
To jednak wciąż za mało…
Technika i technologia idą do przodu, zapotrzebowanie jest, może więc kiedyś i my skorzystamy...