Magazyny energii w polskim systemie energetycznym są niemal tak długo, jak długo istnieje sam system. Najstarsze opierają się na energii potencjalnej wody, a więc magazynowaniu płynącej wody przed zaporą lub przepompowywaniu jej z dolnego do górnego zbiornika. Następnie spuszczana na turbiny woda generuje energię elektryczną dokładnie wtedy, gdy tego potrzebujemy.

Duże magazyny

Moc samych elektrowni szczytowo-pompowych (ESP) w Polsce wynosi niemal 1800 MW. Teoretycznie każdego dnia mogłyby one dostarczać taką moc do systemu przez kilka godzin (zwykle od trzech do pięciu, w zależności od warunków hydrologicznych). W praktyce są wykorzystywane znacznie rzadziej i z mniejszą mocą maksymalną. W 2015 roku dostarczyły do systemu ok. 600 GWh (pobierając uprzednio 900 GWh), przede wszystkim w momentach szybkich skoków zapotrzebowania lub produkcji, służąc stabilizacji częstotliwości w sieciach przesyłowych. Wskaźnik wykorzystania ich mocy wyniósł zaledwie 5%. Teoretycznie mógłby być kilkukrotnie większy.

ESP są w Polsce przede wszystkim pomagają operatorowi systemu przesyłowego w regulacji częstotliwości, częściowo także napięcia i mocy biernej w systemie. Pracują zwykle wieczorami, gdy bardzo szybko rośnie zapotrzebowanie na moc odbiorców (a dzieje się to w coraz mniej przewidywalny sposób). Służą także jako rezerwa do tzw. odbudowy systemu energetycznego w sytuacji blackoutu. Dlatego nigdy jako magazyny nie są „rozładowywane” do końca.

To już kilka zadań stawianych przed tymi magazynami i żaden z nich nie jest bezpośrednio związany z odnawialnymi źródłami energii. Takie usługi ESP świadczą bowiem od kilkudziesięciu lat, a więc od epoki, gdy w Polsce nie było właściwie żadnej turbiny wiatrowej i paneli słonecznych.

Średnie magazyny

Dopiero od niedawna przed magazynami postawiono kolejne zadanie ─ bilansowania produkcji energii z niesterowalnych źródeł odnawialnych ze zmiennym zużyciem energii przez odbiorców. Przy tym przynajmniej częściowo zadania te mają być realizowane lokalnie. Ogromne elektrownie szczytowo-pompowe nie spełniają tego ostatniego warunku.

Stąd w ostatnich latach na potęgę rozwijane są inne technologie magazynowania. Na poziomie sieci dystrybucyjnych budowane są np. magazyny sprężonego powietrza (w Polsce jeszcze nie są wykorzystywane) i instalacje wykorzystujące energię elektryczną do produkcji, zużywanego następnie w ogniwach paliwowych lub dostarczanego do sieci gazowej wodoru (takie rozwiązanie mają wspólnie testować PGE i Gaz-System).
Tego typu instalacje mogą mieć moc od kilku do kilkudziesięciu megawatów i są w stanie dostarczać energię z tą mocą od kilkudziesięciu minut do kilku godzin dziennie. Nadają się przede wszystkim do chwilowego bilansowania zmiennej produkcji z farm wiatrowych, ale w większej skali mogą też służyć do bilansowania mocy w cyklach dobowych.

Małe magazyny

W mniejszej, gminnej skali, potencjalnie najlepszymi magazynami energii mogą być biogazownie, magazynujące metan, które także mogą bilansować lokalne zużycie energii w cyklach kilkunastominutowych lub dobowych z mocą do ok. 2 MW w pojedynczej instalacji. Tam, gdzie pozwalają na to warunki, lokalne sieci wspierać mogą także elektrownie wodne ze zbiornikami.

Podobną rolę w wielu miastach mogą pełnić magazyny ciepłej wody, pozwalającej na produkcję energii w elektrociepłowniach wówczas, gdy popyt na ogrzewanie jest mniejszy. Jak wylicza dr Ireneusz Pyc z Siemensa, do tej pory w Niemczech zainwestowano w segment magazynowania ciepła już blisko 400 mln euro, a w ciągu kilku kolejnych lat planowane są już inwestycje o wartości 1 mld euro. U naszych sąsiadów rozwijają się już także systemy integrujące elektrociepłownie z magazynami ciepła, pompami ciepła oraz instalacjami wykorzystującymi niskotemperaturowe źródła ciepła do produkcji prądu (instalacje ORC). W ten sposób np. ciepło zmagazynowane latem pod ziemią może służyć do produkcji energii elektrycznej zimą.

Od niedawna w skali „gminnych” magazynów energii rozwijane są także akumulatory chemiczne. Od kilku miesięcy taki magazyn o mocy 0,75 MW i pojemności 1,5 MWh w powiecie puckim testuje Energa Operator. Dostarczone przez polskiego Qumaka dwa kontenery z bateriami litowo-jonowymi są elementem lokalnego obszaru bilansowania połączonego z lokalną biogazownią, instalacją fotowoltaiczną i tysiącami odbiorców. Jednym z celów projektu realizowanego na półwyspie helskim i w okolicach Pucka jest ograniczenie przerw w dostawach energii, poprawa jakości tych dostaw (m.in. mniejsze wahania napięcia) i zmniejszenie strat sieciowych.

Tej wielkości magazyny mają tym istotniejsze znaczenie, że ─ jak wylicza Energa Operator ─ już 37% mocy zainstalowanej w Polskim systemie energetycznym przyłączona jest do sieci dystrybucyjnej. Liczba i moc rozproszonych źródeł energii nadal będą rosnąć.

Mikro magazyny

Dopiero w tym miejscu dochodzimy do rzeczywistego magazynowania energii ze źródeł odnawialnych w celu jej zużycia w innym czasie. Osławiony już Powerwall Tesli i niekiedy już bardziej efektywne baterie konkurentów mają służyć bilansowaniu produkcji energii ─ przede wszystkim z fotowoltaiki (w ciągu dnia) z jej zużyciem przez gospodarstwo domowe (przede wszystkim rano i wieczorem). W tym wypadku mówimy zwykle o mocach 3-7 kW i pojemności 5-20 kWh.

Ten sposób magazynowania ma nad innymi rozwiązaniami kluczową przewagę ─ chociaż zwykle jest znacznie droższy od wielkoskalowych rozwiązań ─ to pozwala na uniknięcie zakupu energii z sieci po wysokich koszta ─ w Polsce to ok. 600 zł/MWh w przypadku gospodarstwa domowego przy koszcie zmiennym produkcji energii ze słońca bliskim zeru.

Dla porównania duże instalacje ─ jak elektrownie szczytowo-pompowe ─ kupują energię potrzebną do przepompowywania wody za ok. 100-120 zł/MWh i dostarczają ją na rynek po ok. 170-200 zł/MWh, a jedynie wyjątkowo (choć coraz częściej) zdarza się, że te ceny rosną do 500-1000 zł/MWh. To diametralnie zmienia porównanie ekonomiki pracy obu rodzajów magazynów.

Magazyny szyte na miarę

W systemie elektroenergetycznym, a w coraz większym stopniu także systemach ciepłowniczych, gazowniczych i transporcie, potrzebne są magazyny służące wielu różnym celom ─ od sekundowych zmian potrzebnych do kontroli częstotliwości, przez bilansowanie w trybie dobowym na potrzeby odbiorców i OZE, po magazynowanie ciepłej wody w cyklach tygodniowych i miesięcznych, w celu wyrównywania pracy elektrociepłowni i dostarczania energii elektrycznej i cieplnej dokładnie wtedy, gdy potrzebują jej odbiorcy.

─ Wiele będzie zależeć od skali i geograficznego położenia OZE. Im mniejsze i bardziej rozrzucone instalacje OZE, tym bardziej potrzebne będą małe magazyny, będące albo elementem samych instalacji [tego typu instalacje hybrydowe w przyszłości chce promować Ministerstwo Energii ─ red.], albo co najmniej elementem lokalnego bilansowania (takie rozwiązania testują już polskie spółki energetyczne]) ─ tłumaczy Rafał Płatek z ABB.

Jak tłumaczy nasz rozmówca, w przypadku dużych instalacji OZE pojawia się jeszcze jeden problem, który magazyny mogą rozwiązać ─ przepustowości sieci. Instalacje fotowoltaiczne i farmy wiatrowe produkują energię z pełną mocą jedynie kilkadziesiąt godzin w roku. W tej sytuacji rozbudowę sieci pod taką przepustowość zastąpić mogą tańsze w budowie i eksploatacji magazyny energii. Magazyny mogą także pomagać w zarządzaniu rozpływami energii w sieciach w sytuacji trudnych warunków (np. wysokiej temperatury zmniejszającej możliwości przesyłowe linii), czy usuwania awarii.

Czy o rozwoju zdecydują rynek i regulacje? O tym w dalszej części artykułu na portalu WysokieNapiecie.pl

Autor: Bartłomiej Derski, Wojciech Krzyczkowski