Magazynowanie energii OZE

Dynamiczny rozwój energetyki wiatrowej w wielu krajach świata, w tym w Polsce, skutkuje wprowadzaniem do sieci elektroenergetycznej coraz większych ilości energii elektrycznej pochodzącej z farm wiatrowych.

Operatorzy tych sieci w odpowiedzi na nową sytuację stosują coraz szerszy wachlarz środków mających na celu asymilację wyprodukowanej energii oraz ograniczanie efektów bieżących pracy tych źródeł na sieć oraz na cały system elektroenergetyczny. W tym ostatnim przypadku dotyczy to m.in. zmienności produkcji uzależnionej od warunków wiatrowych oraz braku powiązania tej produkcji ze zmiennością potrzeb odbiorców końcowych.

Sposoby magazynowania

Jedną z istotniejszych grup środków pozostających do dyspozycji operatorów sieciowych staje się wykorzystanie możliwości magazynowania energii. Sama idea nie jest nowa. Obecnie w elektroenergetyce na szeroką skalę wykorzystywane są elektrownie szczytowo-pompowe, które dla potrzeb prowadzenia pracy systemu elektroenergetycznego w cyklach dobowych lub dłuższych mogą, w zależności od potrzeb, pracować jako duże odbiorniki energii elektrycznej lub jako źródła wytwórcze, dostarczające energię elektryczną do sieci. Tego typu tryb pracy elektrowni szczytowo-pompowych jest określany jako praca programowa. Drugim możliwym trybem pracy tych elektrowni jest praca interwencyjna, pozwalająca na utrzymanie wymaganego poziomu rezerwy mocy w okresie szczytu obciążenia dobowego.

Obecnie dostępnych jest również szereg innych technologii magazynowania energii, np. zasobniki sprężonego powietrza, zasobniki bateryjne, ogniwa paliwowe, koła zamachowe, superkondensatory, zasobniki nadprzewodzące.

Każda z wymienionych technologii znajduje się obecnie na innym etapie badań lub wdrożenia przemysłowego, posiada również własną charakterystykę eksploatacyjną i kosztową, determinującą jej przydatność do zróżnicowanych celów. Część z tych technologii charakteryzuje się np. możliwością gromadzenia dużych ilości energii, sięgających kilkuset MWh i jej oddawania w postaci energii elektrycznej do systemu w okresie nawet do kilkunastu godzin. Inne z kolei są nastawione na magazynowanie mniejszych ilości energii (rzędu kilkudziesięciu kWh) i późniejsze oddawanie do sieci stosunkowo dużych mocy, dochodzących do 1 MW w krótkim czasie (np. kilku, kilkunastu sekund).

W przypadku wszystkich technologii od dłuższego czasu prowadzone są na świecie prace badawcze nad ich zastosowaniem w elektroenergetyce, w szczególności w obszarze wykorzystania technologii magazynowania energii do współpracy z odnawialnymi źródłami energii (OZE), w tym głównie z farmami wiatrowymi. Krajami przodującymi w zastosowaniu technologii magazynowania są obecnie Stany Zjednoczone oraz Japonia, a w Europie Niemcy. W pozostałych krajach UE prowadzone są badania poszczególnych technologii oraz dokonywane są na małą skalę wdrożenia w sektorze elektroenergetycznym, zwłaszcza technologii bateryjnych. Wyniki prowadzonych badań oraz doświadczenia wskazują przy tym, że największe perspektywy praktycznego wykorzystania do współpracy z farmami wiatrowymi mogą mieć zasobniki bateryjne oraz sprężonego powietrza.

Technologie

Pierwsza z wymienionych technologii posiada wiele odmian. Mogą to być udoskonalone technologicznie akumulatory kwasowo-ołowiowe, podobne pod względem konstrukcji do stosowanych w samochodach, lub baterie sodowo-siarkowe, w których obie elektrody są w stanie płynnym, a sam zasobnik wymaga do prawidłowej pracy utrzymywania temperatury do 390°C. Z kolei zastosowań praktycznych dobrze znane są baterie litowo-jonowe i niklowo-kadmowe. W rozwiązaniach implementacyjnych zasobniki bateryjne są najczęściej instalowane bezpośrednio przy obiektach elektroenergetycznych, stacjonarnie (np. w specjalnie do tego przygotowanych pomieszczeniach) lub w postaci modułowej (zestaw jednostek kontenerowych łatwych do przewożenia z miejsca na miejsce w zależności od potrzeb). Współpracę zasobników bateryjnych z siecią elektroenergetyczną umożliwiają odpowiednie przetwornice energoelektroniczne.

Instalacje wyposażone w zasobniki sprzężonego powietrza także charakteryzują się różnymi rozwiązaniami, przy czym zastosowanie praktyczne znalazły instalacje z podziemnym zbiornikiem sprzężonego powietrza (magazyn). Praca takiej instalacji polega na zatłaczaniu powietrza do tego zbiornika przez sprężarkę napędzaną energią elektryczną, a następnie wykorzystaniu energii tak zmagazynowanego powietrza do napędu turbiny gazowej w celu wytworzenia energii elektrycznej i jej wprowadzenia do sieci.

Współpraca OZE, a zwłaszcza farm wiatrowych z instalacjami magazynowania energii, może zapewnić wiele korzyści technicznych i ekonomicznych dla systemu elektroenergetycznego m.in.: magazynowanie energii elektrycznej wytworzonej w farmach wiatrowych na okresy szczytowego zapotrzebowania na moc w systemie, ograniczanie zmienności energii z farm wprowadzanej do sieci oraz rezerwowanie pracy farm wiatrowych w przypadkach nagłych zmian warunków wietrznych.

Możliwość magazynowania energii może też wpłynąć na ograniczanie inwestycji infrastrukturalnych związanych z przyłączaniem farm do sieci oraz na ograniczanie inwestycji w konwencjonalne źródła wytwórcze, służące do pracy interwencyjnej w sytuacjach zmian generacji na farmach wiatrowych.

Instalacje magazynowania mogą być wykorzystywane przez operatorów sieciowych również do innych celów, niezwiązanych bezpośrednio z rozwojem energetyki wiatrowej, np. do: kształtowania krzywej obciążeń systemu elektroenergetycznego, lokalnego lub obszarowego wspomagania prawidłowej pracy sieci poprzez usługi regulacyjne, zasilania awaryjnego i ograniczania przeciążeń w sieci.

Istotne jest to, że każda z takich instalacji może być wykorzystywana jednocześnie do różnych zadań, co umożliwi kumulację uzyskiwanych efektów.

dr inż. Henryk Majchrzak, prezes PSE Operator